JP2019050232A - Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の特性を向上させる。【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層上にゲート絶縁膜GIを形成する工程を有する。そして、この工程は、窒化物半導体層上に、結晶性のAl2O3膜を形成する工程と、その上に、SiO2膜を形成する工程と、その上に、アモルファス状のAl2O3膜を形成する工程と、を有する。そして、さらに、アモルファスAl2O3膜に熱処理を施し、結晶化することにより、結晶性Al2O3膜を形成する工程と、その上に、SiO2膜を形成する工程とを有する。このように、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜が下から交互に積層された積層膜を用いたので、閾値電圧(Vt)を累積的に向上させることができる。【選択図】図1To improve characteristics of a semiconductor device. A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film GI on a nitride semiconductor layer. This step includes a step of forming a crystalline Al2O3 film on the nitride semiconductor layer, a step of forming a SiO2 film thereon, and a step of forming an amorphous Al2O3 film thereon. And The method further includes a step of forming a crystalline Al2O3 film by subjecting the amorphous Al2O3 film to a heat treatment and crystallization, and a step of forming a SiO2 film thereon. As described above, since the laminated film in which the crystalline Al2O3 film and the SiO2 film are alternately laminated from below is used as the gate insulating film GI, the threshold voltage (Vt) can be cumulatively improved. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、例えば、窒化物半導体を用いた半導体装置に好適に利用できるものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and can be suitably used, for example, in a semiconductor device using a nitride semiconductor.
GaN系窒化物半導体は、SiやGaAsに比べてワイドバンドギャップで、高い電子移動度を有するため、高耐圧、高出力、高周波用途でのトランジスタへの応用が期待されており、近年、盛んに開発が進められている。このようなトランジスタの中でも、ノーマリオフ特性を有するトランジスタは有用であり、ノーマリオフ特性を持たせるための構造が検討されている。 GaN-based nitride semiconductors have high electron mobility in a wide band gap compared to Si and GaAs, and are expected to be applied to transistors for high withstand voltage, high output, and high frequency applications. Development is in progress. Among such transistors, a transistor having a normally-off characteristic is useful, and a structure for providing the normally-off characteristic has been studied.
例えば、特許文献1には、下地層と、電子供給層と、2次元電子ガス解消層と、第1の絶縁膜と、ゲート電極とを備える半導体装置が開示されている。
For example,
また、非特許文献1には、いわゆるhigh−k/メタル構造のMOSデバイスにおいて、ゲート絶縁膜として、SiO2上にAl2O3を積層した積層膜を用いることで閾値電圧が上がることが記載されている。
Further,
本発明者は、窒化物半導体を用いた半導体装置の研究開発に従事しており、半導体装置の特性向上について、鋭意検討している。特に、ノーマリオフ特性を持たせるためのトランジスタの構造(メサ型MOS構造)について検討している。 The inventor of the present invention is engaged in research and development of a semiconductor device using a nitride semiconductor, and is diligently examining improvement of the characteristics of the semiconductor device. In particular, the transistor structure (mesa MOS structure) for providing the normally-off characteristic is examined.
しかしながら、本発明者の検討によれば、上記メサ型MOS構造の閾値電圧は低く、例えば、0V近傍であり、ノーマリオフ特性を有効に発揮するためには、さらなる、閾値電圧の上昇が望まれる。 However, according to the study of the inventor of the present invention, the threshold voltage of the mesa MOS structure is low, for example, around 0 V, and a further increase in threshold voltage is desired to effectively exhibit normally-off characteristics.
また、シリコン基板の主表面に形成されたMOSデバイス(シリコンデバイス)においては、前述した非特許文献にも記載のとおり、ゲート絶縁膜としてSiO2上にAl2O3を積層した積層膜を用いることで閾値電圧が上昇することが知られている。 In addition, in a MOS device (silicon device) formed on the main surface of a silicon substrate, as described in the above-mentioned non-patent document, a laminated film in which Al 2 O 3 is laminated on SiO 2 is used as a gate insulating film. It is known that the threshold voltage rises.
このような観点から、窒化物半導体装置において、ゲート絶縁膜としてSiO2上にAl2O3を積層した積層膜を用いて、閾値電圧を調べたところ、再現性良く、大幅な閾値電圧の向上を図ることはできなかった。本発明者は、さらに、検討を進め、ゲート絶縁膜として、種々の積層膜を検討したところ、シリコンデバイスの場合とは逆に、ゲート絶縁膜としてAl2O3上にSiO2を積層した積層膜を用いた場合、一部の窒化物半導体デバイスにおいて閾値電圧の向上効果が確認できた。そして、解析を進めたところ、閾値向上効果が得られるのは、下層のAl2O3が結晶化している場合であることが分かった。また、VtとSiO2膜厚の関係から、閾値向上効果はダイポールモデルで説明できることが分かった。 From such a point of view, in the nitride semiconductor device, when the threshold voltage was examined using a laminated film in which Al 2 O 3 was laminated on SiO 2 as the gate insulating film, the threshold voltage was significantly improved with good reproducibility. I could not do it. The inventor further studied, and examined various laminated films as a gate insulating film, and contrary to the case of silicon devices, laminated layers of SiO 2 laminated on Al 2 O 3 as a gate insulating film When the film was used, the improvement effect of the threshold voltage could be confirmed in some nitride semiconductor devices. Then, when the analysis was advanced, it was found that the threshold improvement effect was obtained when the lower layer Al 2 O 3 was crystallized. Further, the relationship of Vt and SiO 2 film thickness, threshold improvement was found to be explained by the dipole model.
そこで、本発明者は、上記知見に基づき、より閾値電圧の低減効果を得られる、窒化物半導体デバイスの構造や製法を鋭意検討し、上記閾値電圧の低下を抑制し、ノーマリオフ特性の良好な半導体装置の実現に至ったものである。 Therefore, based on the above findings, the inventor of the present invention has intensively studied the structure and manufacturing method of the nitride semiconductor device capable of further reducing the threshold voltage, and suppressing the reduction of the threshold voltage to obtain a semiconductor with a normally off characteristic. It has led to the realization of the device.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 The outline of typical ones of the embodiments disclosed in the present application will be briefly described as follows.
本願において開示される一実施の形態に示される半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程を有する。そして、この工程は、窒化物半導体層上に、結晶性の第1金属の酸化膜を形成する工程と、前記結晶性の前記第1金属の酸化膜上に、第2金属の酸化膜を形成する工程と、前記第2金属の酸化膜上に、アモルファス状の前記第1金属の酸化膜を形成する工程と、を有する。 A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment disclosed in the present application includes the step of forming a gate insulating film on a nitride semiconductor layer. Then, in this step, a step of forming a crystalline first metal oxide film on the nitride semiconductor layer, and a step of forming a second metal oxide film on the crystalline first metal oxide film And forming an amorphous oxide film of the first metal on the oxide film of the second metal.
本願において開示される一実施の形態に示される半導体装置は、窒化物半導体層上に形成されたゲート絶縁膜を有する。そして、このゲート絶縁膜は、結晶性の第1金属の酸化膜、第2金属の酸化膜、結晶性の前記第1金属の酸化膜および前記第2金属の酸化膜が下から順に積層された積層体を有する。 A semiconductor device described in an embodiment disclosed in the present application has a gate insulating film formed on a nitride semiconductor layer. Then, in the gate insulating film, a crystalline first metal oxide film, a second metal oxide film, a crystalline first metal oxide film, and a second metal oxide film are sequentially stacked from the bottom. Having a laminate.
本願において開示される、以下に示す代表的な実施の形態に示される半導体装置の製造方法によれば、特性の良好な半導体装置を製造することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in the present application and described in the following representative embodiments, a semiconductor device with good characteristics can be manufactured.
本願において開示される、以下に示す代表的な実施の形態に示される半導体装置によれば、半導体装置の特性を向上させることができる。 According to the semiconductor device disclosed in the present application and shown in the following representative embodiments, the characteristics of the semiconductor device can be improved.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, it will be described by dividing into a plurality of sections or embodiments, but they are not unrelated to each other unless specifically stated otherwise, one is the other And some of all the modifications, applications, detailed explanation, supplementary explanation, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), it is particularly pronounced and clearly limited to a specific number in principle. It is not limited to the specific number except for the number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。 Furthermore, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily essential unless otherwise specified or if they are considered to be obviously essential in principle. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships and the like of components etc., the shapes thereof are substantially the same unless particularly clearly stated and where it is apparently clearly not so in principle. It is assumed that it includes things that are similar or similar to etc. The same applies to the above-described numbers and the like (including the number, the numerical value, the amount, the range, and the like).
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材(部位)が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments will be described in detail based on the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, members having the same function are denoted by the same or related reference numerals, and the repetitive description thereof will be omitted. Also, when there are a plurality of similar members (portions), symbols may be added to the generic symbols to indicate individual or specific portions. Further, in the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly required.
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。 In the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted to make the drawing easy to see even if it is a sectional view. Further, even a plan view may be hatched to make it easy to see the drawing.
また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。 Further, in the cross-sectional view and the plan view, the size of each portion does not correspond to the actual device, and a specific portion may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand. Further, even when the sectional view and the plan view correspond to each other, a specific part may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand.
(実施の形態1)
以下、図面を参照しながら本実施の形態の半導体装置について詳細に説明する。
Hereinafter, the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態の半導体装置の概略構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device of the present embodiment.
図1に示す半導体装置は、窒化物半導体を用いたMOS型の電界効果トランジスタ(MOSFET;Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor、MISFETともいう)である。また、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)とも呼ばれる。また、図1に示す半導体装置は、後述するように、メサ部上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置される構造であるため“メサ型MOS構造”とも呼ばれる。 The semiconductor device shown in FIG. 1 is a MOS type field effect transistor (MOSFET; also referred to as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor, or MISFET) using a nitride semiconductor. In addition, it is also called a high electron mobility transistor (HEMT: High Electron Mobility Transistor). The semiconductor device shown in FIG. 1 is also referred to as a “mesa-type MOS structure” because it has a structure in which the gate electrode is disposed on the mesa portion via the gate insulating film as described later.
本実施の形態の半導体装置においては、図1に示すように、基板SUB上に、第1窒化物半導体層S1、第2窒化物半導体層S2および第3窒化物半導体層S3が順次形成されている。そして、第3窒化物半導体層S3の一部(図1においては、略中央部)上には、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部が形成されている。 In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a first nitride semiconductor layer S1, a second nitride semiconductor layer S2, and a third nitride semiconductor layer S3 are sequentially formed on a substrate SUB. There is. Then, a mesa portion made of the fourth nitride semiconductor layer S4 is formed on a part of the third nitride semiconductor layer S3 (approximately the center in FIG. 1).
第2窒化物半導体層S2は、第1窒化物半導体層S1と電子親和力が等しいか、または、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が大きい(S1≦S2)。 The second nitride semiconductor layer S2 has an electron affinity equal to that of the first nitride semiconductor layer S1, or has a larger electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1 ≦ S2).
第3窒化物半導体層S3は、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が小さい(S1>S3)。 The third nitride semiconductor layer S3 has a smaller electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1> S3).
第4窒化物半導体層S4は、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が大きい(S4>S1)。 The fourth nitride semiconductor layer S4 has a larger electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S4> S1).
第1窒化物半導体層S1は、バッファ層とも呼ばれ、例えば、AlGaNよりなる。また、第2窒化物半導体層S2は、チャネル層とも呼ばれ、例えば、GaNよりなる。また、第3窒化物半導体層S3は、障壁層(電子供給層)と呼ばれ、例えば、AlGaNよりなる。但し、第1窒化物半導体層S1よりAl組成が大きい。第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部は、2DEG解消層(2DEG抑制層、キャップ層)とも呼ばれ、例えば、GaNよりなる。 The first nitride semiconductor layer S1 is also called a buffer layer, and is made of, for example, AlGaN. The second nitride semiconductor layer S2 is also called a channel layer, and is made of, for example, GaN. The third nitride semiconductor layer S3 is called a barrier layer (electron supply layer), and is made of, for example, AlGaN. However, the Al composition is larger than that of the first nitride semiconductor layer S1. The mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 is also called a 2DEG elimination layer (2DEG suppression layer, cap layer), and is made of, for example, GaN.
第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部の平面形状は、例えば、紙面奥行き方向に長辺を有する矩形状である。 The planar shape of the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 is, for example, a rectangular shape having a long side in the depth direction of the drawing.
上記第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部上には、ゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEが形成されている。また、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部の一方の側(図1においては、左側)の第3窒化物半導体層S3上には、ソース電極SEが形成され、他方の側(図1においては、右側)の第3窒化物半導体層S3上には、ドレイン電極DEが形成されている。 A gate electrode GE is formed on the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 via the gate insulating film GI. Further, the source electrode SE is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on one side (the left side in FIG. 1) of the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4, and the other side (FIG. 1). In the above, the drain electrode DE is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on the right side).
ゲート電極GEおよびゲート絶縁膜(GI)の積層体の平面形状は、例えば、紙面奥行き方向に長辺を有する矩形状である(図16参照)。また、ソース電極SEおよびドレイン電極DEの平面形状も、それぞれ、例えば、紙面奥行き方向に長辺を有する矩形状である(図16参照)。なお、上記紙面奥行き方向は、図16においては、Y方向である。 The planar shape of the stacked body of the gate electrode GE and the gate insulating film (GI) is, for example, a rectangular shape having long sides in the depth direction in the drawing (see FIG. 16). The planar shapes of the source electrode SE and the drain electrode DE are also, for example, rectangular shapes having long sides in the depth direction of the drawing (see FIG. 16). The above-mentioned paper depth direction is the Y direction in FIG.
ここで、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2と第3窒化物半導体層(障壁層)S3の界面近傍であって、第2窒化物半導体層S2側においては、2DEG(2次元電子ガス)が発生する。そして、第4窒化物半導体層S4は、上記2DEGを抑制する機能を有する。2DEGを抑制する機能とは、2DEG(2次元電子ガス)の濃度を低下させる機能とも言える。このため、前述したように、第4窒化物半導体層S4は、2DEG解消層とも言われる。 Here, in the vicinity of the interface between the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 and the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3, on the side of the second nitride semiconductor layer S2, 2DEG (two-dimensional electron gas) ) Occurs. The fourth nitride semiconductor layer S4 has a function of suppressing the 2DEG. The function of suppressing 2DEG can be said to be a function of reducing the concentration of 2DEG (two-dimensional electron gas). For this reason, as described above, the fourth nitride semiconductor layer S4 is also referred to as a 2DEG elimination layer.
よって、ゲート電極GEに所定の電圧(閾値電圧)を印加した場合に、ゲート電極GEの下方に、チャネルが形成され、2DEG間がこのチャネルにより導通し、トランジスタがオン状態となる。即ち、ノーマリオフ動作を実現することができる。 Therefore, when a predetermined voltage (threshold voltage) is applied to the gate electrode GE, a channel is formed below the gate electrode GE, the channel between 2DEGs is conducted by this channel, and the transistor is turned on. That is, the normally off operation can be realized.
また、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部上に形成された第1ゲート絶縁膜GIaと、第1ゲート絶縁膜GIa上に形成された第2ゲート絶縁膜GIbと、第2ゲート絶縁膜GIb上に形成された第3ゲート絶縁膜GIcと、第3ゲート絶縁膜GIc上に形成された第4ゲート絶縁膜GIdとを有する。第1ゲート絶縁膜GIaおよび第3ゲート絶縁膜GIcは、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)よりなり、第2ゲート絶縁膜GIbおよび第4ゲート絶縁膜GIdは、酸化シリコン(SiO2)よりなる。別の言い方をすれば、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜が下から交互に積層された積層膜を用いている。さらに、別の言い方をすれば、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層した膜を用いている(2層以上積層した膜を用いる。)なお、AlやSiと酸素(O)の組成比は上記のものに限られるものではない。 Further, in the present embodiment, as the gate insulating film GI, the first gate insulating film GIa formed on the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 and the first gate insulating film GIa are formed. A second gate insulating film GIb, a third gate insulating film GIc formed over the second gate insulating film GIb, and a fourth gate insulating film GId formed over the third gate insulating film GIc. The first gate insulating film GIa and the third gate insulating film GIc are made of crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ), and the second gate insulating film GIb and the fourth gate insulating film GId are silicon oxide (SiO 2) 2 ) It consists of. In other words, in the present embodiment, a stacked film in which crystalline Al 2 O 3 films and SiO 2 films are alternately stacked from the bottom is used as the gate insulating film GI. Furthermore, in other words, in the present embodiment, a two- layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon is repeatedly stacked as the gate insulating film GI. A film is used (a film in which two or more layers are stacked) is used. The composition ratio of Al or Si to oxygen (O) is not limited to the above.
このように、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜が下から交互に積層された積層膜を用いたので、閾値電圧(Vt)を正方向にシフトすることができる。即ち、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, since the laminated film in which the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film are alternately laminated from the bottom is used as the gate insulating film GI, the threshold voltage (Vt) can be calculated. It can shift in the positive direction. That is, the threshold voltage (Vt) can be improved.
このような本実施の形態の閾値電圧(Vt)の向上効果について、図1〜図14を参照しながら説明する。図2は、本実施の形態の半導体装置のエネルギーバンド図である。図3〜図8は、本実施の形態のゲート絶縁膜およびゲート電極の形成工程を示す断面図である。図9は、比較例1の半導体装置の構造を示す断面図であり、図10は、比較例1の半導体装置のエネルギーバンド図である。図11は、比較例2の半導体装置の構造を示す断面図であり、図12は、比較例2の半導体装置のエネルギーバンド図である。図13は、ゲート絶縁膜として結晶性のAl2O3膜とその上のSiO2膜との積層膜を用いた半導体装置の構造を示す断面図であり、図14は、ゲート絶縁膜として結晶性のAl2O3膜とその上のSiO2膜との積層膜を用いた半導体装置のエネルギーバンド図である。エネルギーバンド図は、ゲート電極およびその下方のゲート絶縁膜、窒化物半導体層に対応している。 The improvement effect of the threshold voltage (Vt) of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 14. FIG. 2 is an energy band diagram of the semiconductor device of the present embodiment. FIGS. 3-8 is sectional drawing which shows the formation process of the gate insulating film and gate electrode of this Embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of Comparative Example 1, and FIG. 10 is an energy band diagram of the semiconductor device of Comparative Example 1. As shown in FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device of Comparative Example 2, and FIG. 12 is an energy band diagram of the semiconductor device of Comparative Example 2. As shown in FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device using a laminated film of a crystalline Al 2 O 3 film and an SiO 2 film thereon as a gate insulating film, and FIG. 14 shows a crystal as a gate insulating film. FIG. 16 is an energy band diagram of a semiconductor device using a laminated film of a crystalline Al 2 O 3 film and an SiO 2 film thereon. The energy band diagram corresponds to the gate electrode, the gate insulating film below it, and the nitride semiconductor layer.
図9に示す比較例1の半導体装置のように、ゲート絶縁膜GIとして、単層のアモルファスAl2O3膜を用いた場合、設計上のバンド図は、図10の破線で示すようにゲート電極GE部のレベルが、フェルミレベル(Ef)より下に位置する。しかしながら、実デバイスにおいては、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部とゲート絶縁膜(a−Al2O3膜)GIとの界面に生じる界面正電荷Qintの影響により、図10の実線で示すように、ゲート絶縁膜(a−Al2O3膜)GIにかかる電界の向きが逆転し、閾値電圧(Vt)が低下する。 When a single-layer amorphous Al 2 O 3 film is used as the gate insulating film GI as in the semiconductor device of Comparative Example 1 shown in FIG. 9, the designed band diagram is a gate as shown by a broken line in FIG. 10. The level of the electrode GE part is located below the Fermi level (Ef). However, in an actual device, the solid line in FIG. 10 is caused by the influence of the interface positive charge Q int generated at the interface between the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 and the gate insulating film (a-Al 2 O 3 film) GI. As shown in the above, the direction of the electric field applied to the gate insulating film (a-Al 2 O 3 film) GI is reversed, and the threshold voltage (Vt) is lowered.
また、本発明者の検討によれば、シリコンデバイスで閾値向上効果が得られているSiO2膜とその上のアモルファスAl2O3膜との積層膜をゲート絶縁膜として用いても、閾値電圧は向上しないことが判明している。 Also, according to the study of the present inventor, the threshold voltage can be obtained even if a laminated film of a SiO 2 film and a amorphous Al 2 O 3 film on which a threshold improvement effect is obtained in a silicon device is used as a gate insulating film. Has been found to not improve.
そして、さらなる本発明者の検討により、ゲート絶縁膜として、種々の積層膜を検討したところ、シリコンデバイスの場合とは逆に、ゲート絶縁膜としてAl2O3上にSiO2を積層した積層膜を用いた場合、一部の窒化物半導体デバイスにおいて閾値電圧の向上効果が確認できた。加えて、さらに解析を進めたところ、閾値向上効果が得られるのは、下層のAl2O3が結晶化している場合であることが分かった。 Then, when various laminated films were examined as a gate insulating film by further study of the present inventor, a laminated film in which SiO 2 is laminated on Al 2 O 3 as a gate insulating film, contrary to the case of a silicon device. The effect of improving the threshold voltage has been confirmed in some of the nitride semiconductor devices. In addition, as a result of further analysis, it was found that the threshold improvement effect is obtained when the lower layer Al 2 O 3 is crystallized.
例えば、図11に示す比較例2の半導体装置のように、ゲート絶縁膜GIとして、アモルファスAl2O3膜とその上のSiO2膜との積層膜を用いた場合、図12の太い黒い実線で示すようになる。即ち、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部とゲート絶縁膜(a−Al2O3膜)GIとの界面に生じる界面正電荷Qintは変わらないため、電界の向きは逆転したままであり、Al2O3よりもSiO2の方が電子親和力が小さく、また比誘電率が低いため電界強度が強くなるために、比較例1の場合(図9、図10)より閾値電圧(Vt)がさらに低下する。 For example, when a laminated film of an amorphous Al 2 O 3 film and an SiO 2 film thereon is used as the gate insulating film GI as in the semiconductor device of Comparative Example 2 shown in FIG. It will be shown by. That is, since the interface positive charge Q int generated at the interface between the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 and the gate insulating film (a-Al 2 O 3 film) GI does not change, the direction of the electric field remains reversed. Because the electron affinity is lower in SiO 2 than in Al 2 O 3 , and the electric field strength is high because the relative dielectric constant is low, the threshold voltage (Vt) is higher than in the case of Comparative Example 1 (FIGS. 9 and 10). ) Is further reduced.
これに対して、図13に示すように、ゲート絶縁膜GIとして、第1ゲート絶縁膜GIaとなる結晶性のAl2O3膜と、その上の第2ゲート絶縁膜GIbとなるSiO2膜との積層膜を用いた場合、図14に示すように、比較例2(図11、図12)の場合より、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。即ち、閾値電圧(Vt)を正方向にシフトすることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 13, the crystalline Al 2 O 3 film to be the first gate insulating film GIa as the gate insulating film GI and the SiO 2 film to be the second gate insulating film GIb thereon In the case of using the laminated film of the above, as shown in FIG. 14, the threshold voltage (Vt) can be improved more than in the case of Comparative Example 2 (FIG. 11, FIG. 12). That is, the threshold voltage (Vt) can be shifted in the positive direction.
上記閾値電圧(Vt)の向上効果は、比較例1、2および図13に示す半導体装置の比較から以下に示す“ダイポールモデル”で説明することができる。 The improvement effect of the threshold voltage (Vt) can be described by the “dipole model” shown below from the comparison of the semiconductor devices shown in Comparative Examples 1 and 2 and FIG.
即ち、結晶性のAl2O3膜とその上のSiO2膜との積層膜において、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜の境界部にダイポールが発生する。このダイポールは、結晶性のAl2O3膜側の負電荷(−)と、SiO2膜側の正電荷(+)を有する(図14参照)。これらの電荷の距離は1nm以下である。このダイポール(電荷対)の存在する結晶性のAl2O3膜とSiO2膜との境界部付近では、結晶性のAl2O3膜と第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部との界面に生じる界面正電荷Qintによる電界を打ち消す方向に電界がかかる(図14中の太い矢印部参照)。このため、比較例1、2の場合より、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。前述のように電界がかかる範囲は1nm以下と狭いが、この範囲における電荷量(正電荷、負電荷のそれぞれの電荷量)は、界面正電荷Qintの量より一桁程度高いため、閾値電圧向上に有効なポテンシャルエネルギーの変化が得られる。
That is, in the laminated film of the crystalline of the Al 2 O 3 film and the SiO 2 film thereon, dipole is generated in the boundary portion of the crystalline of the Al 2 O 3 film and the SiO 2 film. This dipole has a negative charge (−) on the side of the crystalline Al 2 O 3 film and a positive charge (+) on the side of the SiO 2 film (see FIG. 14). The distance of these charges is 1 nm or less. In the vicinity of the boundary between the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film in which the dipole (charge pair) exists, the mesa portion formed of the crystalline Al 2 O 3 film and the fourth nitride
そして、さらに、本実施の形態(図1)のように、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層した膜を用いた場合、図2に示すように、さらに閾値電圧(Vt)を向上させることができる。ここでは、ゲート絶縁膜GIを構成する膜を下側から、結晶性のAl2O3膜(GIa)、SiO2膜(GIb)、結晶性のAl2O3膜(GIc)、SiO2膜(GId)として説明する。 Further, as in the present embodiment (FIG. 1), in the case of using a film in which a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon is repeatedly laminated, As shown in FIG. 2, the threshold voltage (Vt) can be further improved. Here, from the lower side of the film constituting the gate insulating film GI, the crystalline Al 2 O 3 film (GIa), the SiO 2 film (GIb), the crystalline Al 2 O 3 film (GIc), the SiO 2 film It is described as (GId).
前述したように、結晶性のAl2O3膜(GIa)とSiO2膜(GIb)との境界部にダイポールが発生しても、SiO2膜(GIb)とその上の結晶性のAl2O3膜(GIc)との境界において、逆ダイポール、即ち、SiO2膜側の正電荷(+)と、Al2O3膜側の負電荷(−)とからなるダイポールが発生してしまうと、上記ダイポールの閾値向上効果を打ち消してしまう。しかしながら、SiO2膜(GIb)上に、アモルファスのAl2O3膜を形成した場合には、上記逆ダイポールは生じない。そして、アモルファスのAl2O3膜の成膜後、熱処理により結晶化させ、結晶性のAl2O3膜(GIc)としても、上記逆ダイポールは生じない。 As described above, even if a dipole is generated at the boundary between the crystalline Al 2 O 3 film (GIa) and the SiO 2 film (GIb), the SiO 2 film (GIb) and the crystalline Al 2 thereon are produced. If a dipole consisting of a reverse dipole, ie, a positive charge (+) on the SiO 2 film side and a negative charge (−) on the Al 2 O 3 film side, is generated at the boundary with the O 3 film (GIc) , The above-mentioned dipole threshold improvement effect is canceled. However, when the amorphous Al 2 O 3 film is formed on the SiO 2 film (GIb), the above-mentioned reverse dipole does not occur. Then, after forming an amorphous Al 2 O 3 film, crystallization is performed by heat treatment, and the above-mentioned reverse dipole is not generated even as a crystalline Al 2 O 3 film (GIc).
このため、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を積層する毎に、閾値電圧が累積的に向上し、閾値電圧(Vt)を正とすることができる。また、閾値電圧(Vt)を容易に調整することができる。なお、図2(a)は、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を2層積層した場合(合計4層)のバンド図を示しており、図2(b)は、3層積層(合計6層)した場合のバンド図を示している。この図2に示す場合、ゲート電極GE部のレベルが、フェルミレベル(Ef)より下に位置している。 Therefore, every time a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and an SiO 2 film provided thereon is stacked, the threshold voltage is cumulatively improved, and the threshold voltage (Vt) is made positive. be able to. Also, the threshold voltage (Vt) can be easily adjusted. FIG. 2A shows a band diagram in the case where two layers of a crystalline Al 2 O 3 film and an SiO 2 film provided thereon are laminated in two layers (a total of four layers). FIG. 2 (b) shows a band diagram in the case where three layers are stacked (total six layers). In the case shown in FIG. 2, the level of the gate electrode GE is located below the Fermi level (Ef).
このように、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜との境界部のダイポールにより、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部とゲート絶縁膜(a−Al2O3膜)GIとの間に界面正電荷Qintが生じても、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。さらに、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜との積層膜を繰り返し積層した場合、SiO2膜上にアモルファスのAl2O3膜を積層すれば、上記ダイポールの効果を相殺する逆ダイポールは生じず、アモルファスのAl2O3膜の成膜後、結晶化しても逆ダイポールは生じない。このため、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜との積層膜を繰り返し積層することで、閾値電圧が累積的に向上し、閾値電圧(Vt)を正とすることができる。また、閾値電圧(Vt)を容易に調整することができる。
Thus, with the dipole at the boundary between the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film, the mesa portion made of the fourth nitride
また、Al2O3膜上にSiO2膜を成膜する際、800℃以上の雰囲気下でSiO2膜を成膜する場合には、下層のAl2O3膜がアモルファス状であってもよい。この場合上記雰囲気にAl2O3膜に晒されることにより、少なくともその表面部が結晶化しつつ、この結晶化したAl2O3膜上にSiO2膜が成膜されるため、上記ダイポールは形成される。 Further, when forming the SiO 2 film on the Al 2 O 3 film, when forming the SiO 2 film in an atmosphere of more than 800 ° C., even lower of the Al 2 O 3 film is an amorphous Good. In this case, the dipole is formed because the SiO 2 film is formed on the crystallized Al 2 O 3 film while at least the surface portion is crystallized by being exposed to the above atmosphere to the Al 2 O 3 film. Be done.
ここで、ダイポールによる閾値向上効果を電荷の観点で定量的に説明する。例えば、界面正電荷Qint=1×1012cm−2が存在する界面上のAl2O3の膜厚を60nmとすると、1.2Vの閾値低下が生じる。これに対し、本実施の形態の結晶性のAl2O3膜とSiO2膜との界面に発生するダイポール電荷は3.5×1013cm−2であり、界面正電荷Qintより一桁多く、0.7Vの閾値向上効果を奏する。よって、これを2回重ねれば1.4V、3回重ねれば2.1Vの閾値向上効果を得ることができる。この場合、2回以上重ねることにより、界面正電荷Qintによる閾値低下の影響を上回る閾値向上効果が得られる。 Here, the threshold improvement effect by the dipole will be described quantitatively from the viewpoint of charge. For example, assuming that the film thickness of Al 2 O 3 on the interface where the interface positive charge Q int = 1 × 10 12 cm −2 is 60 nm, a threshold voltage drop of 1.2 V occurs. On the other hand, the dipole charge generated at the interface between the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film of the present embodiment is 3.5 × 10 13 cm −2, which is one digit higher than the interface positive charge Q int. In many cases, a threshold improvement effect of 0.7 V is achieved. Therefore, it is possible to obtain a threshold improvement effect of 1.4 V if this is repeated twice and 2.1 V if it is repeated three times. In this case, by overlapping two or more times, it is possible to obtain a threshold improvement effect that exceeds the influence of the threshold reduction by the interface positive charge Q int .
以下に、図3〜図8を参照しながら、本実施の形態の半導体装置のゲート絶縁膜とゲート電極等の製造工程を説明するとともに、Al2O3膜とSiO2膜の積層状態、Al2O3膜の結晶性、ダイポールの発生について説明する。 Hereinafter, the manufacturing process of the gate insulating film, the gate electrode and the like of the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 8, and the laminated state of Al 2 O 3 film and SiO 2 film, Al The crystallinity of the 2 O 3 film and the generation of a dipole will be described.
図3に示す基板SUBを準備し、第1〜第3窒化物半導体層(S1〜S3)を順次形成する。基板SUBとして、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板を用いる。次いで、基板SUB上に、第1窒化物半導体層(バッファ層)S1として、AlGaN層(Al組成比5%)を、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2として、GaN層を、第3窒化物半導体層(障壁層)S3として、AlGaN層(Al組成比22%)を、順次エピタキシャル成長させる。次いで、第3窒化物半導体層S3上に、第4窒化物半導体層S4として、GaN層をエピタキシャル成長させた後、メサ部の形成領域にマスク膜(図示せず)を形成し、このマスク膜をマスクとして、第4窒化物半導体層S4をエッチングする。これにより、メサ部が形成される。 The substrate SUB shown in FIG. 3 is prepared, and the first to third nitride semiconductor layers (S1 to S3) are sequentially formed. For example, a semiconductor substrate made of silicon (Si) is used as the substrate SUB. Next, on the substrate SUB, an AlGaN layer (Al composition ratio 5%) is used as a first nitride semiconductor layer (buffer layer) S1, a GaN layer is used as a second nitride semiconductor layer (channel layer) S2, and As the nitride semiconductor layer (barrier layer) S3, an AlGaN layer (Al composition ratio 22%) is epitaxially grown sequentially. Next, a GaN layer is epitaxially grown as the fourth nitride semiconductor layer S4 on the third nitride semiconductor layer S3, and then a mask film (not shown) is formed in the formation region of the mesa portion, and this mask film is formed. The fourth nitride semiconductor layer S4 is etched as a mask. Thereby, the mesa portion is formed.
次いで、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部上に、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GEを形成する。例えば、図3に示すように、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部および第3窒化物半導体層S3上に、第1ゲート絶縁膜GIaとして、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)を形成する。まず、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD(Atomic Layer Deposition)法を用い、成膜温度300℃で、5nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる。 Next, the gate insulating film GI and the gate electrode GE are formed over the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4. For example, as shown in FIG. 3, on the mesa portion and the third nitride semiconductor layer S3 changes from the fourth nitride semiconductor layer S4, a first gate insulating film GIa, crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) form. First, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is deposited to a film thickness of 5 nm at a deposition temperature of 300 ° C. using an atomic layer deposition (ALD) method. Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to form crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ).
ここで、結晶化とは、グレイン(結晶粒)が生じる処理を言い、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)は、複数のグレイン(結晶粒)を有する。よって、多結晶酸化アルミニウムとも言う。グレイン(結晶粒)の平均粒径は、酸化アルミニウム膜(a−Al2O3、c−Al2O3)の膜厚と同程度(±80%)であることが好ましい。
Here, the crystallization and refers to the process of grain (crystal grain) occurs, the crystallinity of the aluminum oxide (c-
ここでは、酸化アルミニウム膜(a−Al2O3、c−Al2O3)の膜厚を5nm程度としたが、この膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。膜厚を2nm以上とすることで、ダイポールを生じさせることができる。十分なダイポール得る(電荷量を大きくする)ためには、この膜厚を5nm以上とすることが好ましい。また、この膜厚に上限はないが、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層する場合には、20nm以下で十分である。また、界面正電荷Qintの影響を抑えるためにはこの膜厚10nm以下とすることがより好ましい。 Here, the film thickness of the aluminum oxide film (a-Al 2 O 3 , c-Al 2 O 3 ) is about 5 nm, but this film thickness is 2 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less The range can be adjusted. By setting the film thickness to 2 nm or more, a dipole can be generated. In order to obtain a sufficient dipole (increase the charge amount), the film thickness is preferably 5 nm or more. Although there is no upper limit to this film thickness, 20 nm or less is sufficient when repeatedly laminating a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon. Further, in order to suppress the influence of the interface positive charge Q int , it is more preferable to set the film thickness to 10 nm or less.
次いで、図4に示すように、第1ゲート絶縁膜GIa上に、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。ここでは、酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚を10nm程度としたが、この膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。この膜厚を5nm以上とすることで、ダイポールを生じさせることができる。また、この膜厚に上限はないが、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層する場合には、20nm以下で十分である。また、界面正電荷Qintの影響を抑えるためにはこの膜厚を10nm以下とすることがより好ましい。 Next, as shown in FIG. 4, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on the first gate insulating film GIa as a second gate insulating film GIb. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed to have a film thickness of 10 nm at a film forming temperature of 400 ° C. using a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Here, the film thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) is about 10 nm, but this film thickness can be adjusted in the range of 5 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less. By setting the film thickness to 5 nm or more, a dipole can be generated. Although there is no upper limit to this film thickness, 20 nm or less is sufficient when repeatedly laminating a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon. Further, in order to suppress the influence of the interface positive charge Q int , it is more preferable to set the film thickness to 10 nm or less.
ここで、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the second gate insulating film GIb, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ), so an interface of these films is obtained. A dipole is produced.
次いで、図5、図6に示すように、第2ゲート絶縁膜GIb上に、第3ゲート絶縁膜GIcとして、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)を形成する。まず、図5に示すように、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD法を用い、成膜温度300℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。 Next, as shown in FIGS. 5 and 6, over the second gate insulating film GIb, crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) is formed as a third gate insulating film GIc. First, as shown in FIG. 5, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is deposited to a film thickness of 10 nm at a deposition temperature of 300 ° C. using an ALD method.
ここで、第2ゲート絶縁膜GIbである酸化シリコン膜(SiO2膜)上には、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じない。 Here, since amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is formed on the silicon oxide film (SiO 2 film) which is the second gate insulating film GIb, the interface of these films is formed. , A dipole does not occur.
次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる(図6)。なお、熱処理条件は一例である。但し、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)の結晶化には、800℃以上の熱処理を行うことが好ましい。 Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to be crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) (FIG. 6). The heat treatment conditions are an example. However, for crystallization of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ), heat treatment at 800 ° C. or higher is preferably performed.
ここで、熱処理(結晶化)の後においても、第2ゲート絶縁膜GIbである酸化シリコン膜(SiO2膜)と第3ゲート絶縁膜GIcである結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)との界面には、ダイポールが生じない。即ち、ダイポールが生じていない状態が、熱処理(結晶化)の後においても、維持される。 Here, even after the heat treatment (crystallization), the silicon oxide film (SiO 2 film) which is the second gate insulating film GIb and the crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) which is the third gate insulating film GIc. There is no dipole at the interface with). That is, the state in which no dipole occurs is maintained even after heat treatment (crystallization).
なお、第3ゲート絶縁膜GIcとなる酸化アルミニウム膜(a−Al2O3、c−Al2O3)の膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。膜厚を2nm以上とすることで、ダイポールを生じさせることができる。十分なダイポール得る(電荷量を大きくする)ためには、この膜厚5nm以上とすることが好ましい。また、この膜厚に上限はないが、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層する場合には、20nm以下で十分である。また、界面正電荷Qintの影響を抑えるためにはこの膜厚10nm以下とすることがより好ましい。 The thickness of the aluminum oxide film (a-Al 2 O 3 , c -Al 2 O 3 ) to be the third gate insulating film GIc is adjusted in the range of 2 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 10 nm. can do. By setting the film thickness to 2 nm or more, a dipole can be generated. In order to obtain a sufficient dipole (increase the charge amount), the film thickness is preferably 5 nm or more. Although there is no upper limit to this film thickness, 20 nm or less is sufficient when repeatedly laminating a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon. Further, in order to suppress the influence of the interface positive charge Q int , it is more preferable to set the film thickness to 10 nm or less.
次いで、図7に示すように、第3ゲート絶縁膜GIc上に、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。なお、第4ゲート絶縁膜GIdとなる酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。この膜厚を5nm以上とすることで、ダイポールを生じさせることができる。また、この膜厚に上限はないが、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層する場合には、20nm以下で十分である。また、界面正電荷Qintの影響を抑えるためにはこの膜厚10nm以下とすることがより好ましい。 Next, as shown in FIG. 7, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed over the third gate insulating film GIc as a fourth gate insulating film GId. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 400 ° C. by using the LPCVD method. The thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) to be the fourth gate insulating film GId can be adjusted in the range of 5 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 10 nm. By setting the film thickness to 5 nm or more, a dipole can be generated. Although there is no upper limit to this film thickness, 20 nm or less is sufficient when repeatedly laminating a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon. Further, in order to suppress the influence of the interface positive charge Q int , it is more preferable to set the film thickness to 10 nm or less.
ここで、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the fourth gate insulating film GId, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ). A dipole is produced.
このように、Al2O3膜とSiO2膜とが接していればダイポールが発生するわけではなく、Al2O3膜の結晶性や積層順序がダイポールの発生に関与している。 As described above, when the Al 2 O 3 film and the SiO 2 film are in contact with each other, a dipole is not generated, and the crystallinity and the stacking order of the Al 2 O 3 film are involved in the generation of the dipole.
即ち、「結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に酸化シリコン膜(SiO2膜)を成膜するとダイポールが発生」し、「酸化シリコン膜(SiO2膜)上にアモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を成膜し、結晶化した場合にはダイポールは発生しない」という実験事実を利用し、ゲート絶縁膜において、結晶性のAl2O3膜とその上のSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層することにより、閾値電圧を累積的に向上させることができるという新たな知見が重要である。別の言い方をすれば、「Al2O3膜とSiO2膜とが接していればダイポールが生じるわけではない」という新たな知見であり、シリコンデバイスで利用されている、Al2O3膜側に正電荷、SiO2膜側に負電荷が生じるという技術とは異なる窒化物半導体特有の新たな知見により、閾値電圧を向上させることができる。
That is, "when forming the silicon oxide film (SiO 2 film) on a
なお、ここでは、ゲート絶縁膜GIを4層(GIa〜GId)としたが、ゲート絶縁膜GIを6層、8層、または10層以上としてもよい。 Here, although the gate insulating film GI has four layers (GIa to GId), the gate insulating film GI may have six, eight, or ten or more layers.
また、ここでは、ゲート絶縁膜GIを構成する膜を下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜(GIa)、10nmのSiO2膜(GIb)、10nmの結晶性のAl2O3膜(GIc)、10nmのSiO2膜(GId)としたが、これは、ゲート絶縁膜GIを単層の60nmのAl2O3膜とした場合と同等のゲートドライブ能力を得るため、容量値が同じとなるように設計した例である。よって、ゲート絶縁膜GIとしては、この膜厚構成に限定されるものではない。ゲート絶縁膜GIを6層とした設計例を以下に示す。下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、10nmのSiO2膜を順次積層した膜をゲート絶縁膜としてもよい。 In addition, here, from the lower side of the film constituting the gate insulating film GI, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film (GIa), a 10 nm SiO 2 film (GIb), a 10 nm crystalline Al 2 O 3 Although the film (GIc) is a 10 nm SiO 2 film (GId), it has a capacitance value to obtain a gate drive capability equivalent to the case where the gate insulating film GI is a single-layer 60 nm Al 2 O 3 film. Is an example designed to be the same. Therefore, the gate insulating film GI is not limited to this film thickness configuration. A design example in which the gate insulating film GI has six layers is shown below. From the bottom side, 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, 5 nm SiO 2 film, 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, 5 nm SiO 2 film, 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, 10 nm A film formed by sequentially stacking SiO 2 films may be used as a gate insulating film.
次いで、図8に示すように、ゲート絶縁膜(第4ゲート絶縁膜GId)GI上に、ゲート電極GE用の導電性膜として、例えば、TiN(窒化チタン)膜を、スパッタリング法などを用いて100nm程度の膜厚で堆積する。次いで、ゲート電極GEの形成領域にフォトレジスト膜(図示せず)を形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして、ゲート電極GE用の導電性膜およびその下層のゲート絶縁膜GI(GIa〜GId)をエッチングする。これにより、ゲート電極GEが形成され、その下層にゲート電極GEと同等の平面形状のゲート絶縁膜GI(GIa〜GId)が形成される(図1参照)。次いで、上記フォトレジスト膜を除去する。 Then, as shown in FIG. 8, a TiN (titanium nitride) film, for example, as a conductive film for the gate electrode GE is formed on the gate insulating film (fourth gate insulating film GId) GI using a sputtering method or the like. Deposit with a film thickness of about 100 nm. Next, a photoresist film (not shown) is formed in the formation region of the gate electrode GE, and using this photoresist film as a mask, the conductive film for the gate electrode GE and the gate insulating film GI (GIa to GId) therebelow Etch. Thus, the gate electrode GE is formed, and the gate insulating film GI (GIa to GId) having a planar shape equivalent to that of the gate electrode GE is formed in the lower layer thereof (see FIG. 1). Then, the photoresist film is removed.
次いで、ソース電極SEおよびドレイン電極DEを形成する。例えば、リフトオフ法などを用いて、ソース電極SEおよびドレイン電極DEを形成する。例えば、ソース電極SEおよびドレイン電極DEの形成領域以外の領域をフォトレジスト膜(図示せず)で覆い、基板SUBの上方に導電性膜を形成する。例えば、アルミニウム膜をスパッタリング法などを用いて堆積する。次いで、上記フォトレジスト膜を除去するとともに、ソース電極SEおよびドレイン電極DEの形成領域以外の領域の導電性膜を除去する。 Next, the source electrode SE and the drain electrode DE are formed. For example, the source electrode SE and the drain electrode DE are formed using a lift-off method or the like. For example, a region other than the formation regions of the source electrode SE and the drain electrode DE is covered with a photoresist film (not shown), and a conductive film is formed above the substrate SUB. For example, an aluminum film is deposited using a sputtering method or the like. Next, the photoresist film is removed, and the conductive film in the region other than the regions where the source electrode SE and the drain electrode DE are formed is removed.
このようにして、図1に示す半導体装置を形成することができる。 Thus, the semiconductor device shown in FIG. 1 can be formed.
次いで、図15〜図33を参照しながら、本実施の形態の半導体装置をさらに詳細に説明する。 Next, the semiconductor device of the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS.
[構造説明]
図15は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。図16は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す平面図である。図15の断面図は、例えば、図16のA−A部に対応する。
[Structure explanation]
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device of the present embodiment. FIG. 16 is a plan view showing the configuration of the semiconductor device of this embodiment. The cross-sectional view of FIG. 15 corresponds to, for example, the AA part of FIG.
本実施の形態の半導体装置においては、図15に示すように、基板SUB上に、第1窒化物半導体層S1、第2窒化物半導体層S2および第3窒化物半導体層S3が順次形成されている。そして、第3窒化物半導体層S3の一部分上には第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部が形成されている。なお、基板SUB上に、核生成層やその上の高抵抗バッファ層を形成した後、第1窒化物半導体層S1等を形成してもよい。 In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 15, the first nitride semiconductor layer S1, the second nitride semiconductor layer S2, and the third nitride semiconductor layer S3 are sequentially formed on the substrate SUB. There is. Then, a mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 is formed on a part of the third nitride semiconductor layer S3. The nucleation layer and the high-resistance buffer layer thereon may be formed on the substrate SUB, and then the first nitride semiconductor layer S1 and the like may be formed.
基板SUBとしては、例えば、(111)面が露出しているシリコン(Si)からなる半導体基板を用いることができる。基板SUBとしては、上記シリコンの他、SiCやサファイアなどからなる基板を用いてもよい。また、GaNからなる基板を用いてもよく、この場合、核生成層を省略してもよい。 As the substrate SUB, for example, a semiconductor substrate made of silicon (Si) in which the (111) plane is exposed can be used. As the substrate SUB, in addition to the above silicon, a substrate made of SiC, sapphire or the like may be used. Also, a substrate made of GaN may be used, and in this case, the nucleation layer may be omitted.
核生成層は、窒化物半導体層からなる。核生成層としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)層を用いることができる。高抵抗バッファ層は、窒化物半導体に対し深い準位を形成する不純物を添加した1層もしくは複数層の窒化物半導体層からなる。例えば、複数層の窒化物半導体層からなる超格子構造体(超格子層ともいう)として、窒化ガリウム(GaN)層と窒化アルミニウム(AlN)層との積層膜(AlN/GaN膜)を、繰り返し積層した超格子構造体を高抵抗バッファ層として用いることができる。 The nucleation layer is made of a nitride semiconductor layer. For example, an aluminum nitride (AlN) layer can be used as the nucleation layer. The high resistance buffer layer is composed of one or more nitride semiconductor layers doped with an impurity that forms a deep level in the nitride semiconductor. For example, as a superlattice structure (also referred to as a superlattice layer) including a plurality of nitride semiconductor layers, a stacked film (AlN / GaN film) of a gallium nitride (GaN) layer and an aluminum nitride (AlN) layer is repeated. The stacked superlattice structure can be used as a high resistance buffer layer.
なお、通常、基板SUB上の窒化物半導体層(III−V族の化合物半導体層)は、すべてIII族元素面成長で形成する。 In general, the nitride semiconductor layers (the compound semiconductor layers of group III-V) on the substrate SUB are all formed by group III element surface growth.
前述したように、基板SUB上には、第1窒化物半導体層S1、第2窒化物半導体層S2および第3窒化物半導体層S3が順次形成されている。そして、第3窒化物半導体層S3の一部分上には、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部が形成されている。 As described above, the first nitride semiconductor layer S1, the second nitride semiconductor layer S2, and the third nitride semiconductor layer S3 are sequentially formed on the substrate SUB. A mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4 is formed on a portion of the third nitride semiconductor layer S3.
第2窒化物半導体層S2は、第1窒化物半導体層S1と電子親和力が等しいか、または、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が大きい(S1≦S2)。 The second nitride semiconductor layer S2 has an electron affinity equal to that of the first nitride semiconductor layer S1, or has a larger electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1 ≦ S2).
第3窒化物半導体層S3は、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が小さい(S1>S3)。 The third nitride semiconductor layer S3 has a smaller electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1> S3).
第4窒化物半導体層S4は、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が大きい(S4>S1)。 The fourth nitride semiconductor layer S4 has a larger electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S4> S1).
前述したように、第1窒化物半導体層S1は、バッファ層とも呼ばれ、例えば、AlGaNよりなる。また、第2窒化物半導体層S2は、チャネル層とも呼ばれ、例えば、GaNよりなる。また、第3窒化物半導体層S3は、障壁層(電子供給層)と呼ばれ、例えば、AlGaNよりなる。但し、第1窒化物半導体層S1よりAl組成が大きい。例えば、第1窒化物半導体層S1のAl組成は、0〜10%であり、より好ましくは、3〜8%である。また、例えば、第3窒化物半導体層S3のAl組成は、15〜30%であり、より好ましくは、18〜22%である。また、第4窒化物半導体層(2DEG解消層)S4は、ノンドープ層であり、例えば、i−GaNよりなるが、第1窒化物半導体層S1よりもAl組成の低いAlGaNを使ってもよい。また、第4窒化物半導体層S4としてInGaNを使ってもよい。 As described above, the first nitride semiconductor layer S1 is also called a buffer layer, and is made of, for example, AlGaN. The second nitride semiconductor layer S2 is also called a channel layer, and is made of, for example, GaN. The third nitride semiconductor layer S3 is called a barrier layer (electron supply layer), and is made of, for example, AlGaN. However, the Al composition is larger than that of the first nitride semiconductor layer S1. For example, the Al composition of the first nitride semiconductor layer S1 is 0 to 10%, and more preferably 3 to 8%. Also, for example, the Al composition of the third nitride semiconductor layer S3 is 15 to 30%, and more preferably 18 to 22%. Further, the fourth nitride semiconductor layer (2DEG elimination layer) S4 is a non-doped layer and is made of, for example, i-GaN, but AlGaN having a lower Al composition than the first nitride semiconductor layer S1 may be used. Also, InGaN may be used as the fourth nitride semiconductor layer S4.
また、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部上には、ゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEが形成されている。メサ部の平面形状は、紙面奥行き方向に長辺を有する矩形状である。 In addition, over the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4, the gate electrode GE is formed via the gate insulating film GI. The planar shape of the mesa portion is a rectangular shape having long sides in the depth direction of the drawing.
ゲート絶縁膜(GI)およびゲート電極GEの積層体の平面形状は、紙面奥行き方向(Y方向)に長辺を有する矩形状である(図16参照)。ゲート電極GEの幅(X方向の長さ、ドレイン電極からソース電極へ電流が流れる方向、即ち、ゲート長方向の長さ)は、メサ部の幅(X方向の長さ)より大きい。 The planar shape of the stacked body of the gate insulating film (GI) and the gate electrode GE is a rectangular shape having long sides in the depth direction (Y direction) in the drawing (see FIG. 16). The width (length in the X direction, the direction in which current flows from the drain electrode to the source electrode, ie, the length in the gate length direction) of the gate electrode GE is larger than the width (length in the X direction) of the mesa portion.
ここで、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、4層の膜(GIa〜GId)が形成されている。具体的には、下層に位置する結晶性の酸化アルミニウム(Al2O3)と、上層に位置する酸化シリコン(SiO2)との2層膜が、2層積層されたゲート絶縁膜が設けられている。 Here, in the present embodiment, four layers of films (GIa to GId) are formed as the gate insulating film GI. Specifically, a gate insulating film is provided in which two layers of crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) located in the lower layer and silicon oxide (SiO 2 ) located in the upper layer are stacked in two layers. ing.
このように、本実施の形態においてはゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層した膜を用いた。そして、SiO2膜上に形成されるAl2O3膜は、アモルファス状態で成膜され、その後、結晶化された膜である。ゲート絶縁膜GIとして、このような積層膜を用いることにより、前述したように閾値電圧(Vt)を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, as the gate insulating film GI, a film in which a two-layered film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon is repeatedly stacked is used. Then, the Al 2 O 3 film formed on the SiO 2 film is a film formed in an amorphous state and then crystallized. By using such a laminated film as the gate insulating film GI, as described above, the threshold voltage (Vt) can be improved.
また、メサ部の両側の第3窒化物半導体層S3上には、フィールドプレート絶縁膜FPが形成されている。別の言い方をすれば、第3窒化物半導体層S3上には、開口部を有するフィールドプレート絶縁膜FPが形成され、この開口部の内部に、メサ部が配置されている。そして、フィールドプレート絶縁膜FPの開口部を覆うように、ゲート絶縁膜GIおよびゲート電極GEが配置されている。よって、フィールドプレート絶縁膜FPの開口部の幅(X方向の長さ)は、ゲート電極GEの幅(X方向の長さ)より小さく、メサ部の幅(X方向の長さ)より大きい。このように、ゲート電極GEの端部下にフィールドプレート絶縁膜FPを設けることで、半導体装置の耐圧を向上させることができる。 In addition, a field plate insulating film FP is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on both sides of the mesa portion. In other words, a field plate insulating film FP having an opening is formed on the third nitride semiconductor layer S3, and a mesa is disposed inside the opening. Then, the gate insulating film GI and the gate electrode GE are disposed so as to cover the opening of the field plate insulating film FP. Therefore, the width (length in the X direction) of the opening of the field plate insulating film FP is smaller than the width (length in the X direction) of the gate electrode GE and larger than the width (length in the X direction) of the mesa. As described above, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved by providing the field plate insulating film FP under the end of the gate electrode GE.
また、ゲート電極GE上には、層間絶縁膜IL1が形成されている。また、メサ部(S4)の両側の第3窒化物半導体層S3上には、ソース電極SEまたはドレイン電極DEが形成されている。例えば、層間絶縁膜IL1中には、コンタクトホール(接続孔)C1が形成され、このコンタクトホールC1の内部および上部には、ソース電極SEおよびドレイン電極DEが配置される。このソース電極SEおよびドレイン電極DE上には、絶縁膜IL2が形成されている。この絶縁膜IL2は、下層膜IL2aと上層膜IL2bの積層膜である。 Further, over the gate electrode GE, an interlayer insulating film IL1 is formed. Further, the source electrode SE or the drain electrode DE is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on both sides of the mesa portion (S4). For example, in the interlayer insulating film IL1, a contact hole (connection hole) C1 is formed, and the source electrode SE and the drain electrode DE are disposed in and on the contact hole C1. An insulating film IL2 is formed over the source electrode SE and the drain electrode DE. The insulating film IL2 is a laminated film of the lower film IL2a and the upper film IL2b.
図16に示すように、ドレイン電極DEの平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。また、ソース電極SEの平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。ドレイン電極DEの下には、ドレイン電極DEと第3窒化物半導体層S3との接続部(接続領域)となるコンタクトホールC1が配置されている。このコンタクトホールC1の平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。ソース電極SEの下には、ソース電極SEと第3窒化物半導体層S3との接続部(接続領域)となるコンタクトホールC1が配置されている。このコンタクトホールC1の平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。 As shown in FIG. 16, the planar shape of the drain electrode DE is a rectangular shape having a long side in the Y direction. The planar shape of the source electrode SE is a rectangular shape having long sides in the Y direction. Under the drain electrode DE, a contact hole C1 to be a connection portion (connection region) between the drain electrode DE and the third nitride semiconductor layer S3 is disposed. The planar shape of the contact hole C1 is a rectangular shape having long sides in the Y direction. Under the source electrode SE, a contact hole C1 to be a connection portion (connection region) between the source electrode SE and the third nitride semiconductor layer S3 is disposed. The planar shape of the contact hole C1 is a rectangular shape having long sides in the Y direction.
そして、ドレイン電極DEとソース電極SEとの間には、ゲート電極GEが配置されている。前述したようにゲート電極GEは、Y方向に長辺を有する矩形状である。 The gate electrode GE is disposed between the drain electrode DE and the source electrode SE. As described above, the gate electrode GE has a rectangular shape having a long side in the Y direction.
また、図16に示すように、ドレイン電極DE、ゲート電極GEおよびソース電極SEは、繰り返して複数配置されている。 Further, as shown in FIG. 16, the drain electrode DE, the gate electrode GE, and the source electrode SE are repeatedly disposed in a plurality.
即ち、ドレイン電極DEの平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。複数のライン状のドレイン電極DEが、X方向に一定の間隔を置いて配置されている。また、ソース電極SEの平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である。複数のライン状のソース電極SEが、X方向に一定の間隔を置いて配置されている。そして、複数のソース電極SEのそれぞれと、複数のドレイン電極DEのそれぞれは、X方向に沿って互い違いに配置されている。そして、ドレイン電極DEの下のコンタクトホールC1とソース電極SEの下のコンタクトホールC1との間には、ゲート電極GEが配置されている。 That is, the planar shape of the drain electrode DE is a rectangular shape having long sides in the Y direction. A plurality of linear drain electrodes DE are arranged at regular intervals in the X direction. The planar shape of the source electrode SE is a rectangular shape having long sides in the Y direction. A plurality of linear source electrodes SE are arranged at regular intervals in the X direction. The plurality of source electrodes SE and the plurality of drain electrodes DE are alternately arranged along the X direction. The gate electrode GE is disposed between the contact hole C1 below the drain electrode DE and the contact hole C1 below the source electrode SE.
また、複数のドレイン電極DEは、ドレインパッド(端子部ともいう)DPにより接続される。このドレインパッドDPは、ドレイン電極DEの一端側(例えば、図16における、上部)において、X方向に延在するように配置される。言い換えれば、X方向に延在するドレインパッドDPからY方向に突き出るように複数のドレイン電極DEが配置される。このような形状を、櫛形形状と言うことがある。 Further, the plurality of drain electrodes DE are connected by a drain pad (also referred to as a terminal portion) DP. The drain pad DP is arranged to extend in the X direction on one end side (e.g., the upper part in FIG. 16) of the drain electrode DE. In other words, the plurality of drain electrodes DE are arranged to protrude in the Y direction from the drain pad DP extending in the X direction. Such a shape may be referred to as a comb shape.
複数のソース電極SEは、ソースパッド(端子部ともいう)SPにより接続される。このソースパッドSPは、ソース電極SEの他端側(例えば、図16における、下部)において、X方向に延在するように配置される。言い換えれば、X方向に延在するソースパッドSPからY方向に突き出るように複数のソース電極SEが配置される。このような形状を、櫛形形状と言うことがある。 The plurality of source electrodes SE are connected by source pads (also referred to as terminals) SP. The source pad SP is arranged to extend in the X direction on the other end side (for example, the lower portion in FIG. 16) of the source electrode SE. In other words, the plurality of source electrodes SE are arranged to protrude in the Y direction from the source pad SP extending in the X direction. Such a shape may be referred to as a comb shape.
複数のゲート電極GEは、ゲート線GLにより接続される。このゲート線GLは、ゲート電極GEの一端側(例えば、図16における、下部)において、X方向に延在するように配置される。言い換えれば、X方向に延在するゲート線GLからY方向に突き出るように複数のゲート電極GEが配置される。なお、ゲート線GLは、例えば、ゲート線GLのX方向の両側(例えば、図16における、右側および左側)に設けられたゲートパッドGPと接続される。 The plurality of gate electrodes GE are connected by the gate line GL. The gate line GL is arranged to extend in the X direction on one end side (for example, the lower portion in FIG. 16) of the gate electrode GE. In other words, the plurality of gate electrodes GE are arranged to protrude in the Y direction from the gate line GL extending in the X direction. The gate line GL is connected to, for example, gate pads GP provided on both sides (for example, right and left sides in FIG. 16) of the gate line GL in the X direction.
なお、ゲート電極GEおよびゲート線GLの下方には、ゲート絶縁膜(GI)を介して、第4窒化物半導体層S4のメサ部が配置されている。 Under the gate electrode GE and the gate line GL, the mesa portion of the fourth nitride semiconductor layer S4 is disposed via the gate insulating film (GI).
そして、上記ソース電極SE、ドレイン電極DEおよびゲート電極GEは、主として、素子分離領域ISOで囲まれた活性領域AC上に配置されている。活性領域ACの平面形状は、X方向に長辺を有する略矩形状である。一方、ドレインパッドDP、ゲート線GL、ソースパッドSPは、素子分離領域ISO上に配置されている。活性領域ACとソースパッドSPとの間に、ゲート線GLが配置されている。素子分離領域ISOは、イオン注入等によりホウ素(B)や窒素(N)などのイオン種が打ち込まれ、窒化物半導体層において結晶性が破壊された領域である。 The source electrode SE, the drain electrode DE and the gate electrode GE are mainly disposed on the active region AC surrounded by the element isolation region ISO. The planar shape of the active region AC is a substantially rectangular shape having long sides in the X direction. On the other hand, the drain pad DP, the gate line GL, and the source pad SP are disposed on the element isolation region ISO. Gate line GL is arranged between active region AC and source pad SP. The element isolation region ISO is a region in which crystallinity is destroyed in the nitride semiconductor layer by implanting ion species such as boron (B) and nitrogen (N) by ion implantation or the like.
[製法説明]
次いで、図17〜図33を参照しながら、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明するとともに、当該半導体装置の構成をより明確にする。図17〜図33は、本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
[Description of manufacturing method]
Next, the method of manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 17 to 33, and the configuration of the semiconductor device will be clarified more. 17 to 33 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment.
図17に示すように、基板SUBを準備し、第1〜第4窒化物半導体層(S1〜S4)を順次形成する。基板SUBとして、例えば、(111)面が露出しているシリコン(Si)からなる半導体基板を用いる。なお、基板SUBとしては、上記シリコンの他、SiCやサファイアなどからなる基板を用いてもよい。また、GaNからなる基板を用いてもよい。なお、通常、基板SUB上にこの後形成される窒化物半導体層(III−V族の化合物半導体層)は、すべてIII族元素面成長(即ち、本件の場合、ガリウム面成長あるいはアルミ面成長)で形成する。なお、基板SUB上に、核生成層および高抵抗バッファ層を形成した後、第1〜第4窒化物半導体層(S1〜S4)を順次形成してもよい。核生成層として、例えば、窒化アルミニウム(AlN)層を用いることができ、この層は、例えば、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いた、エピタキシャル成長により形成することができる。また、高抵抗バッファ層として、窒化ガリウム(GaN)層と窒化アルミニウム(AlN)層との積層膜(AlN/GaN膜)を、繰り返し積層した超格子構造体を用いることができ、この超格子構造体は、例えば、窒化ガリウム(GaN)層と、窒化アルミニウム(AlN)層とを、交互に有機金属気相成長法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成することができる。 As shown in FIG. 17, a substrate SUB is prepared, and first to fourth nitride semiconductor layers (S1 to S4) are sequentially formed. As the substrate SUB, for example, a semiconductor substrate made of silicon (Si) in which the (111) plane is exposed is used. A substrate made of SiC, sapphire or the like may be used as the substrate SUB in addition to the above silicon. Alternatively, a substrate made of GaN may be used. Generally, all nitride semiconductor layers (compound semiconductor layers of group III-V) formed later on the substrate SUB are grown by III-group element surface growth (that is, gallium surface growth or aluminum surface growth in this case). Form. After the nucleation layer and the high resistance buffer layer are formed on the substrate SUB, the first to fourth nitride semiconductor layers (S1 to S4) may be sequentially formed. For example, an aluminum nitride (AlN) layer can be used as a nucleation layer, and this layer can be formed by epitaxial growth using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). it can. In addition, a superlattice structure in which a stacked film (AlN / GaN film) of a gallium nitride (GaN) layer and an aluminum nitride (AlN) layer is repeatedly stacked can be used as the high resistance buffer layer. The body can be formed, for example, by epitaxially growing a gallium nitride (GaN) layer and an aluminum nitride (AlN) layer alternately using metal organic vapor phase epitaxy.
次いで、基板SUB上に、第1窒化物半導体層(バッファ層)S1として、AlGaN層(Al組成比5%)を有機金属気相成長法などを用いて、1μm程度エピタキシャル成長させる。AlGaN層の構成元素比については、例えば、AlXGa1−XNとする場合に、Xを0以上0.1以下(0≦X≦0.1)、より好ましくは0.03以上0.08以下(0.03≦X≦0.08)の範囲で調整することができる。Al組成比5%の場合、X=0.05である。このAlGaN層は、例えば、ノンドープ層である。即ち、意図的なn型不純物やp型不純物のドープは行われていない。 Then, an AlGaN layer (Al composition ratio: 5%) is epitaxially grown to about 1 μm on the substrate SUB as a first nitride semiconductor layer (buffer layer) S1 using an organic metal vapor phase growth method or the like. For example, in the case of Al x Ga 1-x N, the component ratio of the AlGaN layer is 0 or more and 0.1 or less (0 ≦ X ≦ 0.1), more preferably 0.03 or more. It can adjust in the range of 08 or less (0.03 <= X <= 0.08). When the Al composition ratio is 5%, X = 0.05. The AlGaN layer is, for example, a non-doped layer. That is, intentional doping of n-type impurities or p-type impurities is not performed.
次いで、第1窒化物半導体層S1上に、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2として、GaN層を有機金属気相成長法などを用いて、40nm程度エピタキシャル成長させる。 Next, on the first nitride semiconductor layer S1, a GaN layer is epitaxially grown to a thickness of about 40 nm as the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 by using the metal organic chemical vapor deposition method or the like.
次いで、第2窒化物半導体層S2上に、第3窒化物半導体層(障壁層)S3として、AlGaN層(Al組成比22%)を有機金属気相成長法などを用いて、14nm程度エピタキシャル成長させる。AlGaN層の構成元素比については、例えば、AlZGa1−ZNとする場合に、ZをXより大きく、0.15以上0.3未満(0.15≦Z<0.3)、より好ましくは0.18以上0.22以下(0.18≦X≦0.22)とする。 Then, an AlGaN layer (Al composition ratio 22%) is epitaxially grown about 14 nm on the second nitride semiconductor layer S2 as the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3 using the metal organic chemical vapor deposition method or the like. . As to the component ratio of the AlGaN layer, for example, in the case of Al Z Ga 1-Z N, Z is larger than X, 0.15 or more and less than 0.3 (0.15 ≦ Z <0.3). Preferably, 0.18 or more and 0.22 or less (0.18 ≦ X ≦ 0.22) are set.
ここで、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2と、第3窒化物半導体層(障壁層)S3との界面であって、第2窒化物半導体層S2側には、前述したように、2DEG(2次元電子ガス)が発生する。 Here, as described above, on the second nitride semiconductor layer S2 side, which is the interface between the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 and the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3. 2DEG (two-dimensional electron gas) is generated.
次いで、第3窒化物半導体層S3上に、第4窒化物半導体層S4として、GaN層を有機金属気相成長法などを用いて、25nm程度エピタキシャル成長させる。この第4窒化物半導体層S4の成膜により、上記2DEGが消失する。 Next, on the third nitride semiconductor layer S3, a GaN layer is epitaxially grown to a thickness of about 25 nm as the fourth nitride semiconductor layer S4 using metal organic vapor phase epitaxy or the like. By the film formation of the fourth nitride semiconductor layer S4, the 2DEG disappears.
なお、第1〜第4窒化物半導体層S1〜S4は、例えば、キャリアガスと原料ガスを、装置内に導入しながら、層を成長させる。原料ガスには、窒化物半導体層(ここでは、AlGaN層やGaN層)の構成元素を含むガスを用いる。例えば、AlGaN層の成膜の際には、Al、Ga、Nの原料ガスとして、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニアをそれぞれ用いる。また、例えば、GaN層の成膜の際には、Ga、Nの原料ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニアをそれぞれ用いる。このように、エピタキシャル成長法によれば、原料ガスの流量を調整することで、各層の構成元素比を容易に、また、精度よく調整することができる。また、エピタキシャル成長法によれば、原料ガスを切り換えることで、異なる元素構成の層を容易に連続して成膜することができる。 The first to fourth nitride semiconductor layers S1 to S4 grow layers while introducing, for example, a carrier gas and a source gas into the apparatus. As a source gas, a gas containing a constituent element of a nitride semiconductor layer (here, an AlGaN layer or a GaN layer) is used. For example, when forming an AlGaN layer, trimethylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMG), and ammonia are used as source gases for Al, Ga, and N, respectively. Further, for example, in forming a GaN layer, trimethylgallium (TMG) and ammonia are used as source gases for Ga and N, respectively. As described above, according to the epitaxial growth method, the component ratio of each layer can be easily and accurately adjusted by adjusting the flow rate of the source gas. In addition, according to the epitaxial growth method, it is possible to easily and continuously form layers having different elemental compositions by switching the source gas.
次いで、図17に示す断面には表れない素子分離領域(ISO)を形成する(図16参照)。例えば、第4窒化物半導体層S4上を絶縁膜などの保護膜で覆い、この保護膜上に、フォトリソグラフィ処理により、素子分離領域を開口するフォトレジスト膜(図示せず)を形成する。次いで、このフォトレジスト膜をマスクとして、ホウ素イオンを保護膜を介して打ち込むことにより、素子分離領域(ISO)を形成する。このように、ホウ素(B)や窒素(N)などのイオン種が打ち込まれることにより、窒化物半導体層において結晶性が破壊され、素子分離領域(ISO)が形成される。 Next, an element isolation region (ISO) not appearing in the cross section shown in FIG. 17 is formed (see FIG. 16). For example, the fourth nitride semiconductor layer S4 is covered with a protective film such as an insulating film, and a photoresist film (not shown) in which an element isolation region is opened is formed on the protective film by photolithography. Then, using the photoresist film as a mask, boron ions are implanted through the protective film to form an element isolation region (ISO). Thus, by implanting an ion species such as boron (B) or nitrogen (N), crystallinity is destroyed in the nitride semiconductor layer, and an element isolation region (ISO) is formed.
例えば、ホウ素イオンを、第1〜第4窒化物半導体層S1〜S4からなる積層体中の一部に、1×1014〜4×1014cm−2程度の密度で打ち込む。打ち込みエネルギーは、例えば、100〜200keV程度である。なお、打ち込みの深さ、即ち、素子分離領域(ISO)の底部は、例えば、第3窒化物半導体層(障壁層)S3の底面より下に位置するように、ホウ素イオンの打ち込み条件を調整する。このようにして、素子分離領域(ISO)を形成する。この素子分離領域(ISO)で囲まれた領域が活性領域ACとなる。図16に示すように、この活性領域ACは、略矩形状である。この後、プラズマ剥離処理などにより上記フォトレジスト膜を除去し、さらに、保護膜を除去する。 For example, boron ions are implanted at a density of about 1 × 10 14 to 4 × 10 14 cm −2 into a part of the laminate including the first to fourth nitride semiconductor layers S1 to S4. The implantation energy is, for example, about 100 to 200 keV. The boron ion implantation conditions are adjusted so that the implantation depth, that is, the bottom of the element isolation region (ISO) is located below the bottom surface of the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3, for example. . Thus, the element isolation region (ISO) is formed. A region surrounded by the element isolation region (ISO) is an active region AC. As shown in FIG. 16, this active region AC is substantially rectangular. Thereafter, the photoresist film is removed by plasma peeling treatment or the like, and the protective film is further removed.
次いで、図18に示すように、第4窒化物半導体層S4上に、マスク膜MKとして、例えば、酸化シリコン膜をLPCVD法などを用いて100nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、マスク膜MK上のメサ部形成領域に、フォトリソグラフィ処理によりフォトレジスト膜PR1を形成する。次いで、このフォトレジスト膜をマスクとして、マスク膜MKをエッチングする(図19)。マスク膜MKとして、例えば、酸化シリコン膜を用いた場合、例えば、フッ素系ガスを用いたドライエッチングを行う。この後、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR1を除去する。 Next, as shown in FIG. 18, a silicon oxide film, for example, is formed as the mask film MK to a film thickness of 100 nm using the LPCVD method or the like on the fourth nitride semiconductor layer S4. Next, a photoresist film PR1 is formed by photolithography in the mesa formation region on the mask film MK. Then, using this photoresist film as a mask, the mask film MK is etched (FIG. 19). For example, when a silicon oxide film is used as the mask film MK, dry etching using a fluorine-based gas is performed, for example. Thereafter, the photoresist film PR1 is removed by plasma peeling treatment or the like.
次いで、図20に示すように、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部を形成する。例えば、マスク膜MKをマスクとして、第4窒化物半導体層S4を塩素系ガスを用いたドライエッチングにより除去する。この段階においては、メサ部が第3窒化物半導体層(障壁層)S3上に部分的(例えば、Y方向に長辺を有する矩形状)に形成され、その下方においては、2DEGは消失したままであり、メサ部の両側においては、2DEGが再発生する。この後、マスク膜MKをエッチングにより除去する。マスク膜MKとして、例えば、酸化シリコン膜を用いた場合、例えば、バッファド弗酸を用いたウエットエッチングにより除去する。 Next, as shown in FIG. 20, a mesa portion made of the fourth nitride semiconductor layer S4 is formed. For example, the fourth nitride semiconductor layer S4 is removed by dry etching using a chlorine-based gas using the mask film MK as a mask. At this stage, the mesa portion is formed partially (for example, in a rectangular shape having a long side in the Y direction) on the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3, and below that, the 2DEG remains lost. And 2DEG reoccurs on both sides of the mesa. Thereafter, the mask film MK is removed by etching. When, for example, a silicon oxide film is used as the mask film MK, the mask film is removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid, for example.
次いで、図21、図22に示すように、メサ部の両側の第3窒化物半導体層S3上に、フィールドプレート絶縁膜FPを形成する。例えば、図21に示すように、第3窒化物半導体層S3および第4窒化物半導体層S4上に、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜として、窒化シリコン膜をプラズマCVD法などを用いて90nm程度堆積する。次いで、窒化シリコン膜上に、メサ部上に開口部を有するフォトレジスト膜PR2を形成する。このフォトレジスト膜PR2をマスクとして、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜をエッチングする。例えば、フッ酸系ガスによるドライエッチングにより、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜をエッチングする(図22)。この後、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR2を除去する。これにより、図22に示すように、メサ部の幅より広い開口部を有するフィールドプレート絶縁膜FPを形成することができる。 Next, as shown in FIGS. 21 and 22, a field plate insulating film FP is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on both sides of the mesa portion. For example, as shown in FIG. 21, on the third nitride semiconductor layer S3 and the fourth nitride semiconductor layer S4, a silicon nitride film is used as a film for the field plate insulating film FP by plasma CVD or the like to a thickness of about 90 nm. accumulate. Next, over the silicon nitride film, a photoresist film PR2 having an opening over the mesa portion is formed. Using this photoresist film PR2 as a mask, the film for field plate insulating film FP is etched. For example, the film for the field plate insulating film FP is etched by dry etching using a hydrofluoric acid-based gas (FIG. 22). Thereafter, the photoresist film PR2 is removed by plasma peeling treatment or the like. Thereby, as shown in FIG. 22, it is possible to form the field plate insulating film FP having an opening wider than the width of the mesa portion.
次いで、図23〜図28に示すように、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部上に、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GEを形成する。例えば、第4窒化物半導体層S4よりなるメサ部、第3窒化物半導体層S3およびフィールドプレート絶縁膜FP上に、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD法を用い、成膜温度300℃で、5nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる(図23)。前述したように、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)または結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)の膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Next, as shown in FIGS. 23 to 28, the gate insulating film GI and the gate electrode GE are formed on the mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer S4. For example, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is formed on the mesa portion made of the fourth nitride semiconductor layer S4, the third nitride semiconductor layer S3 and the field plate insulating film FP using the ALD method. The film is formed to have a film thickness of 5 nm at a film formation temperature of 300.degree. Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to be crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) (FIG. 23). As described above, the film thickness of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) or crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) is 2 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less It can be adjusted in the range of
次いで、図24に示すように、第1ゲート絶縁膜GIa上に、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。前述したように、酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Next, as shown in FIG. 24, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed over the first gate insulating film GIa as a second gate insulating film GIb. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 400 ° C. by using the LPCVD method. As described above, the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) can be adjusted in the range of 5 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less.
ここで、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the second gate insulating film GIb, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ), so an interface of these films is obtained. A dipole is produced.
次いで、第2ゲート絶縁膜GIb上に、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD法を用い、成膜温度300℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる(図25)。なお、熱処理条件は一例である。但し、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)の結晶化には、800℃以上の熱処理を行うことが好ましい。 Next, on the second gate insulating film GIb, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 300 ° C. using an ALD method. Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to be crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) (FIG. 25). The heat treatment conditions are an example. However, for crystallization of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ), heat treatment at 800 ° C. or higher is preferably performed.
ここで、熱処理(結晶化)の前後において、酸化シリコン膜(SiO2膜)GIbとその上の酸化アルミニウム(a−Al2O3、c−Al2O3)との界面には、ダイポールが生じない。なお前述したように、第3ゲート絶縁膜GIcとなるアモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)または結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)の膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Here, before and after the heat treatment (crystallization), the interface between the silicon oxide film (SiO 2 film) GIb and aluminum oxide thereon (a-Al 2 O 3, c-Al 2 O 3), dipole It does not occur. As described above, the film thickness of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) or crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) to be the third gate insulating film GIc is 2 nm or more and 20 nm or less More preferably, it can adjust in 5 nm or more and 10 nm or less of range.
次いで、図26に示すように、第3ゲート絶縁膜GIc上に、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。なお、前述したように、第4ゲート絶縁膜GIdとなる酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。これにより、4層の絶縁膜(GIa〜GId)よりなるゲート絶縁膜GIを形成することができる。なお、前述したように、Al2O3膜上にSiO2膜を成膜する際、800℃以上の雰囲気下でSiO2膜を成膜し、下層のAl2O3膜の結晶化を行いつつ、SiO2膜を成膜してもよい。 Next, as shown in FIG. 26, over the third gate insulating film GIc, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed as a fourth gate insulating film GId. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 400 ° C. by using the LPCVD method. As described above, the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) to be the fourth gate insulating film GId can be adjusted in the range of 5 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 10 nm. Thus, the gate insulating film GI formed of the four layers of insulating films (GIa to GId) can be formed. As described above, when forming the SiO 2 film on the Al 2 O 3 film, and a SiO 2 film in an atmosphere of more than 800 ° C., subjected to crystallization of the lower of the Al 2 O 3 film Alternatively, a SiO 2 film may be formed.
ここで、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the fourth gate insulating film GId, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ). A dipole is produced.
このように、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層することにより、閾値電圧を累積的に向上させることができる(図2参照)。なお、ここでは、ゲート絶縁膜GIを4層(GIa〜GId)としたが、ゲート絶縁膜GIを6層、8層、または10層以上としてもよい。例えば、前述した、下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜(GIa)、10nmのSiO2膜(GIb)、10nmの結晶性のAl2O3膜(GIc)、10nmのSiO2膜(GId)を順次積層した膜をゲート絶縁膜としてもよい。また、下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、10nmのSiO2膜を順次積層した膜をゲート絶縁膜としてもよい。 Thus, the threshold voltage can be cumulatively improved by repeatedly laminating the two-layer film of the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film provided thereon (see FIG. 2). ). Here, although the gate insulating film GI has four layers (GIa to GId), the gate insulating film GI may have six, eight, or ten or more layers. For example, from the lower side, the 5 nm crystalline Al 2 O 3 film (GIa), the 10 nm SiO 2 film (GIb), the 10 nm crystalline Al 2 O 3 film (GIc), the 10 nm SiO 2 from the lower side A film in which films (GId) are sequentially stacked may be used as a gate insulating film. In addition, from the lower side, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, a 5 nm SiO 2 film, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, a 5 nm SiO 2 film, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film A film formed by sequentially laminating 10 nm SiO 2 films may be used as a gate insulating film.
次いで、例えば、図27に示すように、ゲート絶縁膜GI用の絶縁膜上に、ゲート電極GE用の導電性膜10として、例えば、TiN(窒化チタン)膜を、スパッタリング法などを用いて100nm程度の膜厚で堆積する。導電性膜の構成材料や膜厚は適宜調整可能である。ゲート電極GE用の導電性膜として、TiNの他、BまたはPなどのドーパントを添加した多結晶シリコンを用いてもよい。また、Ti、Al、Ni、Pt、Au、およびこれらのSi化合物や、N化合物を用いてもよい。また、これらの材料膜を積層した多層膜を用いてもよい。例えば、導電性膜として、上記Ni膜上に、Au膜を積層した膜を用いてもよい。
Then, for example, as shown in FIG. 27, a TiN (titanium nitride) film is formed on the insulating film for the gate insulating film GI as the
次いで、フォトリソグラフィ処理により、ゲート電極GE用の導電性膜上のゲート電極GEの形成領域に、フォトレジスト膜(図示せず)を形成する。このフォトレジスト膜をマスクとして、ゲート電極GE用の導電性膜およびゲート絶縁膜GIをエッチングする。例えば、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、TiN膜および酸化アルミニウム膜をエッチングし、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、酸化シリコン膜をエッチングする。なお、マスクとしては、パターニングされた絶縁膜(例えば、酸化シリコン膜)などを用いてもよい。この後、プラズマ剥離処理などにより上記フォトレジスト膜を除去する。これにより、図28に示すように、第4窒化物半導体層S4上に、ゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEが形成される。 Next, a photoresist film (not shown) is formed in the formation region of the gate electrode GE on the conductive film for the gate electrode GE by photolithography. Using the photoresist film as a mask, the conductive film for the gate electrode GE and the gate insulating film GI are etched. For example, the TiN film and the aluminum oxide film are etched by dry etching using a chlorine-based gas, and the silicon oxide film is etched by dry etching using a fluorine-based gas. Note that a patterned insulating film (eg, a silicon oxide film) or the like may be used as the mask. Thereafter, the photoresist film is removed by plasma peeling treatment or the like. Thereby, as shown in FIG. 28, the gate electrode GE is formed on the fourth nitride semiconductor layer S4 via the gate insulating film GI.
次いで、図29に示すように、ゲート電極GE上に、層間絶縁膜IL1を形成する。例えば、層間絶縁膜IL1として、酸化シリコン膜をCVD法などを用いて1μm程度堆積する。なお、酸化シリコン膜の下層に100nm程度の窒化シリコン膜を形成してもよい。酸化シリコン膜としては、オルトケイ酸テトラエチル(Tetraethyl orthosilicate)を原料としても用いた、いわゆるTEOS膜を用いてもよい。 Then, as shown in FIG. 29, over the gate electrode GE, the interlayer insulating film IL1 is formed. For example, a silicon oxide film is deposited to about 1 μm as the interlayer insulating film IL1 using the CVD method or the like. Note that a silicon nitride film of about 100 nm may be formed under the silicon oxide film. As the silicon oxide film, a so-called TEOS film may be used which also uses tetraethyl orthosilicate (Tetraethyl orthosilicate) as a raw material.
次いで、図30に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜IL1中に、コンタクトホールC1を形成する。例えば、層間絶縁膜IL1上に、ソース電極接続領域およびドレイン電極接続領域にそれぞれ開口部を有するフォトレジスト膜PR3を形成する。次いで、このフォトレジスト膜PR3をマスクとして、層間絶縁膜IL1をエッチングすることにより、コンタクトホールC1を形成する。この後、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR3を除去する。 Next, as shown in FIG. 30, contact holes C1 are formed in the interlayer insulating film IL1 using photolithography and etching techniques. For example, over the interlayer insulating film IL1, a photoresist film PR3 having an opening in each of the source electrode connection region and the drain electrode connection region is formed. Then, using the photoresist film PR3 as a mask, the interlayer insulating film IL1 is etched to form a contact hole C1. Thereafter, the photoresist film PR3 is removed by plasma peeling treatment or the like.
次いで、図31、図32に示すように、コンタクトホールC1中および層間絶縁膜IL1上に、ソース電極SEおよびドレイン電極DEを形成する。例えば、図31に示すように、コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜IL1上に導電性膜20を形成する。例えば、導電性膜20として、Al膜を形成する。例えば、コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜IL1上に、Al膜をスパッタリング法などを用いて5μm程度の膜厚で形成する。
Next, as shown in FIGS. 31 and 32, the source electrode SE and the drain electrode DE are formed in the contact hole C1 and over the interlayer insulating film IL1. For example, as shown in FIG. 31, the
次いで、図32に示すように、導電性膜(Al膜)上の、ソース電極SE、ドレイン電極DEの形成領域にフォトレジスト膜PR4を形成し、このフォトレジスト膜PR4をマスクとして、導電性膜(Al膜)20をエッチングする。例えば、Cl2を主成分とするガスを用いたドライエッチングにより、導電性膜(Al膜)20をエッチングする。この後、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR4を除去する。これにより、ソース電極SE、ドレイン電極DEを形成することができる。なお、導電性膜(Al膜)10のパターニングを行った後、熱処理を施す。例えば、550℃、30分間の熱処理を行う。これにより、導電性膜(Al膜)20とその下層の層との間のオーミックコンタクトを取ることができる。 Next, as shown in FIG. 32, on the conductive film (Al film), a photoresist film PR4 is formed in the formation region of the source electrode SE and the drain electrode DE, and the conductive film is used as a mask. (Al film) 20 is etched. For example, the conductive film (Al film) 20 is etched by dry etching using a gas containing Cl 2 as a main component. Thereafter, the photoresist film PR4 is removed by plasma peeling treatment or the like. Thus, the source electrode SE and the drain electrode DE can be formed. After patterning the conductive film (Al film) 10, heat treatment is performed. For example, heat treatment is performed at 550 ° C. for 30 minutes. Thereby, ohmic contact can be established between the conductive film (Al film) 20 and the layer therebelow.
なお、熱処理を施した後、導電性膜(Al膜)20をパターニングしてもよい。また、導電性膜20として、Al/Ti膜を用いてもよい。この場合、例えば、Ti膜を、スパッタリング法などを用いて16nm程度の膜厚で形成し、さらに、その上に、Al膜をスパッタリング法などを用いて2μm程度の膜厚で形成する。Al/Ti膜を用いることで、さらに、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。また、導電性膜20として、Al/Cu膜を用いてもよい。このように、ソース電極SEおよびドレイン電極DEを構成する導電性膜の構成材料や膜厚は適宜調整可能である。このような導電性膜としては、窒化物半導体層とオーミック接触する材料を用いることが好ましい。
The conductive film (Al film) 20 may be patterned after the heat treatment. Alternatively, an Al / Ti film may be used as the
次いで、図33に示すように、ソース電極SE、ドレイン電極DE上を含む層間絶縁膜IL1上に、絶縁膜(保護膜)IL2を形成する。例えば、絶縁膜(保護膜)IL2のうち、下層膜(パッシベーション膜ともいう)IL2aとして、窒化シリコン膜をCVD法などを用いて90nm程度堆積する。次いで、窒化シリコン膜上に、上層膜IL2bとして、ポリイミド膜を塗布法などを用いて7μm程度堆積する。 Next, as shown in FIG. 33, over the interlayer insulating film IL1 including over the source electrode SE and the drain electrode DE, an insulating film (protective film) IL2 is formed. For example, of the insulating film (protective film) IL2, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 90 nm as the lower film (also referred to as a passivation film) IL2a using a CVD method or the like. Next, on the silicon nitride film, a polyimide film is deposited to a thickness of about 7 μm as the upper film IL2 b using a coating method or the like.
なお、ソース電極SEおよびドレイン電極DEと接続される多層の配線を形成した後、最上層配線上に、上記ポリイミド膜などを有する絶縁膜(保護膜)を形成してもよい。この後、ゲートパッドGP、ソースパッドSP、ドレインパッドDPなど(図16参照)の外部との電気的接続が必要な領域において、上記絶縁膜(ポリイミド膜および窒化シリコン膜の積層膜)を除去し、下層の導電性膜(配線)の一部を露出させ、パッド部(図示せず)を形成する。 Note that after forming a multilayer wiring connected to the source electrode SE and the drain electrode DE, an insulating film (protective film) having the above-mentioned polyimide film or the like may be formed on the uppermost layer wiring. Thereafter, the insulating film (laminated film of a polyimide film and a silicon nitride film) is removed in a region requiring electrical connection with the outside of the gate pad GP, the source pad SP, the drain pad DP, etc. (see FIG. 16). And exposing a part of the lower conductive film (wiring) to form a pad portion (not shown).
以上の工程により、本実施の形態の半導体装置を形成することができる。なお、上記工程は、一例であり、上記工程以外の工程により、本実施の形態の半導体装置を製造してもよい。 Through the above steps, the semiconductor device of this embodiment can be formed. Note that the above process is an example, and the semiconductor device of the present embodiment may be manufactured by processes other than the above process.
(実施の形態2)
以下、図面を参照しながら本実施の形態の半導体装置について詳細に説明する。なお、実施の形態2においては、ゲート電極およびゲート絶縁膜の構成部以外の構成は、実施の形態1と同様であり、実施の形態1と同様の製法で形成することができる。
Second Embodiment
Hereinafter, the semiconductor device of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the second embodiment, the configuration other than the components of the gate electrode and the gate insulating film is the same as that of the first embodiment, and can be formed by the same manufacturing method as that of the first embodiment.
[構造説明]
図34は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す断面図である。図34に示す半導体装置は、窒化物半導体を用いたMOS型の電界効果トランジスタである。本実施の形態の半導体装置は、いわゆるリセスゲート型の半導体装置である。なお、実施の形態1と同様の構成については、同様の符号を付け、その詳細な説明を省略する。なお、本実施の形態の半導体装置の平面図は、図16と同様であり、図34は、図16のA−A部に対応する。
[Structure explanation]
FIG. 34 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device of the present embodiment. The semiconductor device shown in FIG. 34 is a MOS type field effect transistor using a nitride semiconductor. The semiconductor device of this embodiment is a so-called recess gate type semiconductor device. In addition, about the structure similar to
本実施の形態の半導体装置においては、図34に示すように、基板SUB上に、第1窒化物半導体層S1、第2窒化物半導体層S2および第3窒化物半導体層S3が順次形成されている。なお、基板SUB上に、核生成層やその上の高抵抗バッファ層を形成した後、第1窒化物半導体層S1等を形成してもよい。基板SUB、第1〜第3窒化物半導体層(S1〜S3)、核生成層、高抵抗バッファ層は、実施の形態1の場合と同様の材料を用い、同様の膜厚で構成ることができる。 In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 34, a first nitride semiconductor layer S1, a second nitride semiconductor layer S2 and a third nitride semiconductor layer S3 are sequentially formed on a substrate SUB. There is. The nucleation layer and the high-resistance buffer layer thereon may be formed on the substrate SUB, and then the first nitride semiconductor layer S1 and the like may be formed. The substrate SUB, the first to third nitride semiconductor layers (S1 to S3), the nucleation layer, and the high resistance buffer layer may be formed of the same material as in the first embodiment and have the same film thickness. it can.
第2窒化物半導体層S2は、第1窒化物半導体層S1と電子親和力が等しいか、または、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が大きい(S1≦S2)。 The second nitride semiconductor layer S2 has an electron affinity equal to that of the first nitride semiconductor layer S1, or has a larger electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1 ≦ S2).
第3窒化物半導体層S3は、第1窒化物半導体層S1より電子親和力が小さい(S1>S3)。 The third nitride semiconductor layer S3 has a smaller electron affinity than the first nitride semiconductor layer S1 (S1> S3).
ここで、本実施の形態においては、ゲート電極GEは、フィールドプレート絶縁膜FP、第3窒化物半導体層S3を貫通し、第2窒化物半導体層S2を僅かに掘り込んだ溝(トレンチ、リセスともいう)Tの内部にゲート絶縁膜GIを介して形成されている。 Here, in the present embodiment, the gate electrode GE penetrates the field plate insulating film FP and the third nitride semiconductor layer S3, and is a groove (trench, recess formed by slightly digging the second nitride semiconductor layer S2). Also, it is formed inside the gate insulating film GI in the inside of T).
よって、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2と第3窒化物半導体層(障壁層)S3の界面近傍であって、第2窒化物半導体層S2側において発生する2DEGは、溝Tにより分断されている。このため、ゲート電極GEに所定の電圧(閾値電圧)を印加した場合に、ゲート電極GEの下方に、チャネルが形成され、2DEG間がこのチャネルにより導通し、トランジスタがオン状態となる。即ち、ノーマリオフ動作を実現することができる。 Therefore, the 2DEG generated near the interface between the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 and the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3 on the second nitride semiconductor layer S2 side is divided by the trench T. It is done. Therefore, when a predetermined voltage (threshold voltage) is applied to the gate electrode GE, a channel is formed below the gate electrode GE, the channel between 2DEGs is conducted by this channel, and the transistor is turned on. That is, the normally off operation can be realized.
溝Tの平面形状は、紙面奥行き方向(図16においては、Y方向)に長辺を有する矩形状である。また、ゲート絶縁膜(GI)およびゲート電極GEの積層体の平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状である(図16参照)。ゲート電極GEの幅(X方向の長さ、ドレイン電極からソース電極へ電流が流れる方向、即ち、ゲート長方向の長さ)は、溝Tの幅(X方向の長さ)より大きい。 The planar shape of the groove T is a rectangular shape having long sides in the depth direction in the drawing (Y direction in FIG. 16). The planar shape of the stacked body of the gate insulating film (GI) and the gate electrode GE is a rectangular shape having long sides in the Y direction (see FIG. 16). The width (length in the X direction, the direction in which current flows from the drain electrode to the source electrode, ie, the length in the gate length direction) of the gate electrode GE is larger than the width (length in the X direction) of the trench T.
ここで、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜GIとして、4層の膜(GIa〜GId)が形成されている。具体的には、下層に位置する結晶性の酸化アルミニウム(Al2O3)と、上層に位置する酸化シリコン(SiO2)との2層膜が、2層積層されたゲート絶縁膜が設けられている。 Here, in the present embodiment, four layers of films (GIa to GId) are formed as the gate insulating film GI. Specifically, a gate insulating film is provided in which two layers of crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) located in the lower layer and silicon oxide (SiO 2 ) located in the upper layer are stacked in two layers. ing.
このように、本実施の形態においてはゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層した膜を用いた。そして、SiO2膜上に形成されるAl2O3膜は、アモルファス状態で成膜され、その後、結晶化された膜である。ゲート絶縁膜GIとして、このような積層膜を用いることにより、前述したように閾値電圧(Vt)を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, as the gate insulating film GI, a film in which a two-layered film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon is repeatedly stacked is used. Then, the Al 2 O 3 film formed on the SiO 2 film is a film formed in an amorphous state and then crystallized. By using such a laminated film as the gate insulating film GI, as described above, the threshold voltage (Vt) can be improved.
また、溝Tの両側の第3窒化物半導体層S3上には、前述したフィールドプレート絶縁膜FPが形成されている。このように、ゲート電極GEの端部下にフィールドプレート絶縁膜FPを設けることで、半導体装置の耐圧を向上させることができる。 The field plate insulating film FP described above is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on both sides of the trench T. As described above, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved by providing the field plate insulating film FP under the end of the gate electrode GE.
また、実施の形態1の場合と同様に、ゲート電極GE上には、層間絶縁膜IL1が形成されている。また、メサ部の両側の第3窒化物半導体層S3上には、ソース電極SEまたはドレイン電極DEが形成されている。例えば、層間絶縁膜IL1中には、コンタクトホール(接続孔)C1が形成され、このコンタクトホールC1の内部および上部には、ソース電極SEおよびドレイン電極DEが配置される。このソース電極SEおよびドレイン電極DE上には、絶縁膜IL2が形成されている。この絶縁膜IL2は、下層膜IL2aと上層膜IL2bの積層膜である。 Further, as in the case of the first embodiment, the interlayer insulating film IL1 is formed over the gate electrode GE. Further, the source electrode SE or the drain electrode DE is formed on the third nitride semiconductor layer S3 on both sides of the mesa portion. For example, in the interlayer insulating film IL1, a contact hole (connection hole) C1 is formed, and the source electrode SE and the drain electrode DE are disposed in and on the contact hole C1. An insulating film IL2 is formed over the source electrode SE and the drain electrode DE. The insulating film IL2 is a laminated film of the lower film IL2a and the upper film IL2b.
[製法説明]
次いで、図35〜図51を参照しながら、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明するとともに、当該半導体装置の構成をより明確にする。図35〜図51は、本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、実施の形態1と同様の構成および工程については、その詳細な説明を省略する。
[Description of manufacturing method]
Next, a method of manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 35 to 51, and the configuration of the semiconductor device will be clarified more. 35 to 51 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment. In addition, the detailed description is abbreviate | omitted about the structure and process similar to
図35に示すように、基板SUBを準備し、第1〜第3窒化物半導体層(S1〜S3)を順次形成する。基板SUBとして、実施の形態1の場合と同様のものを用いることができる。また、第1〜第3窒化物半導体層(S1〜S3)は、実施の形態1の場合と同様の材料を用い、同様に形成することができる。ここで、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2と、第3窒化物半導体層(障壁層)S3との界面であって、第2窒化物半導体層S2側には、2DEG(2次元電子ガス)が発生する。次いで、図35に示す断面には表れない素子分離領域(ISO)を実施の形態1の場合と同様にして形成する(図16参照)。 As shown in FIG. 35, a substrate SUB is prepared, and first to third nitride semiconductor layers (S1 to S3) are sequentially formed. As the substrate SUB, the same one as in the case of the first embodiment can be used. The first to third nitride semiconductor layers (S1 to S3) can be formed in the same manner using the same material as that of the first embodiment. Here, at the interface between the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 and the third nitride semiconductor layer (barrier layer) S3, on the side of the second nitride semiconductor layer S2, 2DEG (two-dimensional electron) Gas) is generated. Then, an element isolation region (ISO) not appearing in the cross section shown in FIG. 35 is formed in the same manner as in the first embodiment (see FIG. 16).
次いで、図36〜図39に示すように、第3窒化物半導体層S3上に、開口部を有するフィールドプレート絶縁膜FPを形成する。例えば、図36に示すように、第3窒化物半導体層S3上に、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜として、窒化シリコン膜をプラズマCVD法などを用いて90nm程度堆積する。次いで、窒化シリコン膜上に、溝Tの形成領域に開口部を有するフォトレジスト膜PR21を形成する(図37)。このフォトレジスト膜PR21をマスクとして、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜をエッチングする。例えば、フッ素系ガスによるドライエッチングにより、フィールドプレート絶縁膜FP用の膜をエッチングする(図38)。この後、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR21を除去する。これにより、図39に示すように、溝Tの形成領域に開口部を有するフィールドプレート絶縁膜FPを形成することができる。 Next, as shown in FIGS. 36 to 39, over the third nitride semiconductor layer S3, a field plate insulating film FP having an opening is formed. For example, as shown in FIG. 36, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 90 nm on the third nitride semiconductor layer S3 as a film for the field plate insulating film FP using a plasma CVD method or the like. Next, over the silicon nitride film, a photoresist film PR21 having an opening in the formation region of the trench T is formed (FIG. 37). Using this photoresist film PR21 as a mask, the film for field plate insulation film FP is etched. For example, the film for the field plate insulating film FP is etched by dry etching using a fluorine-based gas (FIG. 38). Thereafter, the photoresist film PR21 is removed by plasma peeling treatment or the like. Thereby, as shown in FIG. 39, field plate insulating film FP having an opening in the formation region of trench T can be formed.
次いで、図40に示すように、フィールドプレート絶縁膜FPをマスクとして、第3窒化物半導体層S3および第2窒化物半導体層S2をエッチングすることにより、フィールドプレート絶縁膜FPおよび第3窒化物半導体層S3を貫通して第2窒化物半導体層S2を露出する溝Tを形成する。例えば、塩素系ガスによるドライエッチングにより、溝Tを形成する。このエッチングの後、エッチングダメージの回復のために、熱処理(アニール)を行ってもよい。 Then, as shown in FIG. 40, the field plate insulating film FP and the third nitride semiconductor are etched by etching the third nitride semiconductor layer S3 and the second nitride semiconductor layer S2 using the field plate insulating film FP as a mask. A trench T is formed through the layer S3 to expose the second nitride semiconductor layer S2. For example, the groove T is formed by dry etching using a chlorine-based gas. After this etching, heat treatment (annealing) may be performed to recover etching damage.
次いで、図41〜図46に示すように、第2窒化物半導体層(チャネル層)S2がその底面に露出した溝T内およびフィールドプレート絶縁膜FP上に、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GEを形成する。まず、例えば、図41に示す溝Tの底面、側面およびフィールドプレート絶縁膜FP上に、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD法を用い、成膜温度300℃で、5nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる(図41)。前述したように、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)または結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)の膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Then, as shown in FIG. 41 to FIG. 46, the gate insulating film GI and the gate electrode GE are formed on the field plate insulating film FP and in the trench T in which the second nitride semiconductor layer (channel layer) S2 is exposed at the bottom. Form First, for example, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is formed on the bottom and side surfaces of the trench T and the field plate insulating film FP shown in FIG. 41 using an ALD method at a film forming temperature of 300 ° C. The film is formed to have a thickness of 5 nm. Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to be crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) (FIG. 41). As described above, the film thickness of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) or crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) is 2 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less It can be adjusted in the range of
次いで、図42に示すように、第1ゲート絶縁膜GIa上に、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。前述したように、酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Then, as shown in FIG. 42, over the first gate insulating film GIa, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed as a second gate insulating film GIb. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 400 ° C. by using the LPCVD method. As described above, the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) can be adjusted in the range of 5 nm or more and 20 nm or less, more preferably 5 nm or more and 10 nm or less.
ここで、第2ゲート絶縁膜GIbとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the second gate insulating film GIb, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ), so an interface of these films is obtained. A dipole is produced.
次いで、第2ゲート絶縁膜GIb上に、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)を、ALD法を用い、成膜温度300℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。次いで、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)に、不活性ガス(例えば、窒素)雰囲気中において、800℃、10分の熱処理を施す。この熱処理により、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)が結晶化し、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)となる(図43)。なお、熱処理条件は一例である。但し、アモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)の結晶化には、800℃以上の熱処理を行うことが好ましい。 Next, on the second gate insulating film GIb, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 300 ° C. using an ALD method. Next, the amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is subjected to heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes in an inert gas (for example, nitrogen) atmosphere. By this heat treatment, amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) is crystallized to be crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) (FIG. 43). The heat treatment conditions are an example. However, for crystallization of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ), heat treatment at 800 ° C. or higher is preferably performed.
ここで、熱処理(結晶化)の前後において、酸化シリコン膜(SiO2膜)GIbとその上の酸化アルミニウム(a−Al2O3、c−Al2O3)との界面には、ダイポールが生じない。なお前述したように、第3ゲート絶縁膜GIcとなるアモルファス状の酸化アルミニウム(a−Al2O3)または結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)の膜厚は、2nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。 Here, before and after the heat treatment (crystallization), the interface between the silicon oxide film (SiO 2 film) GIb and aluminum oxide thereon (a-Al 2 O 3, c-Al 2 O 3), dipole It does not occur. As described above, the film thickness of amorphous aluminum oxide (a-Al 2 O 3 ) or crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ) to be the third gate insulating film GIc is 2 nm or more and 20 nm or less More preferably, it can adjust in 5 nm or more and 10 nm or less of range.
次いで、図44に示すように、第3ゲート絶縁膜GIc上に、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)を形成する。例えば、酸化シリコン膜(SiO2膜)を、LPCVD法を用い、成膜温度400℃で、10nmの膜厚となるよう成膜する。なお、前述したように、第4ゲート絶縁膜GIdとなる酸化シリコン膜(SiO2膜)の膜厚は、5nm以上20nm以下、より好ましくは、5nm以上10nm以下の範囲で調整することができる。これにより、4層の絶縁膜(GIa〜GId)よりなるゲート絶縁膜GIを形成することができる。なお、前述したように、Al2O3膜上にSiO2膜を成膜する際、800℃以上の雰囲気下でSiO2膜を成膜し、下層のAl2O3膜の結晶化を行いつつ、SiO2膜を成膜してもよい。 Then, as shown in FIG. 44, over the third gate insulating film GIc, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed as a fourth gate insulating film GId. For example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is deposited to a thickness of 10 nm at a deposition temperature of 400 ° C. by using the LPCVD method. As described above, the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) to be the fourth gate insulating film GId can be adjusted in the range of 5 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 10 nm. Thus, the gate insulating film GI formed of the four layers of insulating films (GIa to GId) can be formed. As described above, when forming the SiO 2 film on the Al 2 O 3 film, and a SiO 2 film in an atmosphere of more than 800 ° C., subjected to crystallization of the lower of the Al 2 O 3 film Alternatively, a SiO 2 film may be formed.
ここで、第4ゲート絶縁膜GIdとして、酸化シリコン膜(SiO2膜)は、結晶性の酸化アルミニウム(c−Al2O3)上に成膜されるため、これらの膜の界面には、ダイポールが生じる。 Here, as the fourth gate insulating film GId, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on crystalline aluminum oxide (c-Al 2 O 3 ). A dipole is produced.
このように、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を、繰り返し積層することにより、閾値電圧を累積的に向上させることができる(図2参照)。なお、ここでは、ゲート絶縁膜GIを4層(GIa〜GId)としたが、ゲート絶縁膜GIを6層、8層、または10層以上としてもよい。例えば、実施の形態1で説明した、下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜(GIa)、10nmのSiO2膜(GIb)、10nmの結晶性のAl2O3膜(GIc)、10nmのSiO2膜(GId)を順次積層した膜をゲート絶縁膜としてもよい。また、下側から、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、5nmのSiO2膜、5nmの結晶性のAl2O3膜、10nmのSiO2膜を順次積層した膜をゲート絶縁膜としてもよい。 Thus, the threshold voltage can be cumulatively improved by repeatedly laminating the two-layer film of the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film provided thereon (see FIG. 2). ). Here, although the gate insulating film GI has four layers (GIa to GId), the gate insulating film GI may have six, eight, or ten or more layers. For example, from the lower side, the 5 nm crystalline Al 2 O 3 film (GIa), the 10 nm SiO 2 film (GIb), and the 10 nm crystalline Al 2 O 3 film (GIc) described in the first embodiment A film formed by sequentially stacking 10 nm SiO 2 films (GId) may be used as a gate insulating film. In addition, from the lower side, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, a 5 nm SiO 2 film, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film, a 5 nm SiO 2 film, a 5 nm crystalline Al 2 O 3 film A film formed by sequentially laminating 10 nm SiO 2 films may be used as a gate insulating film.
次いで、例えば、ゲート絶縁膜GI用の絶縁膜上に、ゲート電極GE用の導電性膜10として、例えば、TiN(窒化チタン)膜を、スパッタリング法などを用いて100nm程度の膜厚で堆積する(図45)。なお、実施の形態1の場合と同様に、ゲート電極GE用の導電性膜10として、TiN膜以外の膜を用いてもよい。
Then, for example, a TiN (titanium nitride) film is deposited, for example, as a
次いで、フォトリソグラフィ処理により、ゲート電極GE用の導電性膜上のゲート電極GEの形成領域に、フォトレジスト膜(図示せず)を形成する。このフォトレジスト膜をマスクとして、ゲート電極GE用の導電性膜およびゲート絶縁膜GIをエッチングする。例えば、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、TiN膜および酸化アルミニウム膜をエッチングし、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、酸化シリコン膜をエッチングする。なお、マスクとしては、パターニングされた絶縁膜(例えば、酸化シリコン膜)などを用いてもよい。この後、プラズマ剥離処理などにより上記フォトレジスト膜を除去する。これにより、図46に示すように、第4窒化物半導体層S4上に、ゲート絶縁膜GIを介してゲート電極GEが形成される。 Next, a photoresist film (not shown) is formed in the formation region of the gate electrode GE on the conductive film for the gate electrode GE by photolithography. Using the photoresist film as a mask, the conductive film for the gate electrode GE and the gate insulating film GI are etched. For example, the TiN film and the aluminum oxide film are etched by dry etching using a chlorine-based gas, and the silicon oxide film is etched by dry etching using a fluorine-based gas. Note that a patterned insulating film (eg, a silicon oxide film) or the like may be used as the mask. Thereafter, the photoresist film is removed by plasma peeling treatment or the like. Thereby, as shown in FIG. 46, the gate electrode GE is formed on the fourth nitride semiconductor layer S4 via the gate insulating film GI.
以降に示す、層間絶縁膜IL1、ソース電極SE、ドレイン電極DEおよび絶縁膜(保護膜)IL2は、実施の形態1の場合と同様にして形成することができる。 The interlayer insulating film IL1, the source electrode SE, the drain electrode DE, and the insulating film (protective film) IL2 described below can be formed in the same manner as in the first embodiment.
簡単に説明すると、まず、図47に示すように、ゲート電極GE上に、層間絶縁膜IL1を形成する。次いで、図48に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜IL1中に、コンタクトホールC1を形成する。例えば、フォトレジスト膜PR22をマスクとして、層間絶縁膜IL1をエッチングすることにより、コンタクトホールC1を形成する。次いで、図49に示すように、コンタクトホールC1内を含む層間絶縁膜IL1上に導電性膜20を形成し、図50に示すように、導電性膜(Al膜)上のフォトレジスト膜PR23をマスクとして、導電性膜(Al膜)20をエッチングすることにより、ソース電極SE、ドレイン電極DEを形成する。次いで、プラズマ剥離処理などによりフォトレジスト膜PR23を除去した後、図51に示すように、ソース電極SE、ドレイン電極DE上を含む層間絶縁膜IL1上に、絶縁膜(保護膜)IL2を形成する。
Briefly, as shown in FIG. 47, the interlayer insulating film IL1 is formed over the gate electrode GE. Next, as shown in FIG. 48, contact holes C1 are formed in the interlayer insulating film IL1 using photolithography and etching techniques. For example, the contact hole C1 is formed by etching the interlayer insulating film IL1 using the photoresist film PR22 as a mask. Next, as shown in FIG. 49,
なお、ソース電極SEおよびドレイン電極DEと接続される多層の配線を形成した後、最上層配線上に、上記ポリイミド膜などを有する絶縁膜(保護膜)を形成してもよい。この後、ゲートパッドGP、ソースパッドSP、ドレインパッドDPなど(図16参照)の外部との電気的接続が必要な領域において、上記絶縁膜(ポリイミド膜および窒化シリコン膜の積層膜)を除去し、下層の導電性膜(配線)の一部を露出させ、パッド部(図示せず)を形成する。 Note that after forming a multilayer wiring connected to the source electrode SE and the drain electrode DE, an insulating film (protective film) having the above-mentioned polyimide film or the like may be formed on the uppermost layer wiring. Thereafter, the insulating film (laminated film of a polyimide film and a silicon nitride film) is removed in a region requiring electrical connection with the outside of the gate pad GP, the source pad SP, the drain pad DP, etc. (see FIG. 16). And exposing a part of the lower conductive film (wiring) to form a pad portion (not shown).
以上の工程により、本実施の形態の半導体装置を形成することができる。なお、上記工程は、一例であり、上記工程以外の工程により、本実施の形態の半導体装置を製造してもよい。 Through the above steps, the semiconductor device of this embodiment can be formed. Note that the above process is an example, and the semiconductor device of the present embodiment may be manufactured by processes other than the above process.
(実施の形態3)
上記実施の形態1、2においては、ゲート絶縁膜を4層以上の膜で構成したが、2層膜で構成してもよい。また、実施の形態1等においては、結晶性の酸化アルミニウム(Al2O3)と酸化シリコン(SiO2)の積層膜を例に説明したが、第1金属の酸化膜(M1O)と第2金属の酸化膜(M2O)の積層膜を用いてもよい。
Third Embodiment
In the first and second embodiments, the gate insulating film is formed of four or more layers, but may be formed of two layers. In the first embodiment and the like, the laminated film of crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO 2 ) has been described as an example, but the first metal oxide film (M 1 O) and the second metal oxide film A laminated film of metal oxide film (M2O) may be used.
(応用例1)
図52は、本実施の形態の応用例1の半導体装置の構成を示す断面図である。本応用例の半導体装置において、ゲート絶縁膜GI以外の構成は、実施の形態1(図1)に示す半導体装置と同様である。
(Application example 1)
FIG. 52 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device of the
即ち、実施の形態1(図1)の半導体装置においては、4層の絶縁膜(GIa〜GId)よりなるゲート絶縁膜GIを用いているが、本実施の形態においては、2層の絶縁膜(GIa、GIb)よりなるゲート絶縁膜GIを用いている。具体的には、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性の酸化アルミニウム(Al2O3)よりなる第1ゲート絶縁膜GIaと、その上の酸化シリコン(SiO2)よりなる第2ゲート絶縁膜GIbとの積層膜を用いている。 That is, in the semiconductor device of the first embodiment (FIG. 1), the gate insulating film GI made of four insulating films (GIa to GId) is used, but in the present embodiment, two insulating films The gate insulating film GI made of (GIa, GIb) is used. Specifically, a first gate insulating film GIa made of crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and a second gate insulating film GIb made of silicon oxide (SiO 2 ) thereon as the gate insulating film GI The laminated film of
この場合も、実施の形態1において、図13、図14を参照しながら説明したように、結晶性のAl2O3膜とSiO2膜の境界部にダイポールが発生し、このダイポールは、界面正電荷Qintによる電界を打ち消す。このため、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。 Also in this case, as described with reference to FIGS. 13 and 14 in the first embodiment, a dipole is generated at the boundary between the crystalline Al 2 O 3 film and the SiO 2 film, and this dipole has an interface It cancels the electric field due to the positive charge Q int . Therefore, the threshold voltage (Vt) can be improved.
このように、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を用いた場合にも、閾値電圧(Vt)を向上させることができる。しかしながら、上層の酸化シリコン(SiO2)よりなる第2ゲート絶縁膜GIbの膜厚が大きい場合には、ダイポールの効果以上に閾値電圧(Vt)が低下してしまう(図13参照)。このため、ゲート絶縁膜GIとして、結晶性のAl2O3膜とその上に設けられたSiO2膜との2層膜を用いる場合には、上層の酸化シリコン(SiO2)よりなる第2ゲート絶縁膜GIbの膜厚を5nm以上10nm以下とすることが好ましい。また、下層の結晶性の酸化アルミニウム(Al2O3)よりなる第1ゲート絶縁膜GIaとしては、前述したように、その膜厚の下限を2nm以上、より好ましくは5nm以上とすることが好ましい。2層膜を用いる場合の膜厚の設計例としては、例えば、酸化アルミニウムGIaを37.5nm、酸化シリコンGIbを10nmとすることができる。 As described above, the threshold voltage (Vt) can be improved also when a two-layer film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon is used as the gate insulating film GI. it can. However, when the film thickness of the second gate insulating film GIb made of silicon oxide (SiO 2 ) in the upper layer is large, the threshold voltage (Vt) is lowered more than the effect of the dipole (see FIG. 13). Therefore, when using a two-layered film of a crystalline Al 2 O 3 film and a SiO 2 film provided thereon as the gate insulating film GI, the second layer made of silicon oxide (SiO 2 ) in the upper layer is used. The thickness of the gate insulating film GIb is preferably 5 nm or more and 10 nm or less. In addition, as the first gate insulating film GIa made of crystalline aluminum oxide (Al 2 O 3 ) in the lower layer, as described above, the lower limit of the film thickness is preferably 2 nm or more, more preferably 5 nm or more . As a design example of the film thickness in the case of using a two-layer film, for example, aluminum oxide GIa can be 37.5 nm and silicon oxide GIb can be 10 nm.
また、本応用例の2層のゲート絶縁膜を、実施の形態1、2で説明したメサMOS構造の半導体装置(図15)やリセスゲート型の半導体装置(図34)に適用してもよい。 Also, the two-layer gate insulating film of this application example may be applied to the semiconductor device of the mesa MOS structure (FIG. 15) or the recess gate type semiconductor device (FIG. 34) described in the first and second embodiments.
また、本応用例の半導体装置の製造方法は、実施の形態1、2の半導体装置の製造方法において、4層の絶縁膜(GIa〜GId)のうち、上の2層の絶縁膜(GIc、GId)の形成工程を省略すればよい。 In the method of manufacturing a semiconductor device of this application example, in the method of manufacturing the semiconductor device of the first and second embodiments, the upper two insulating films (GIc, GIc) among the four insulating films (GIa to GId) are used. The formation process of GId) may be omitted.
(応用例2)
図53は、本実施の形態の応用例2の半導体装置の構成を示す断面図である。本応用例の半導体装置において、ゲート絶縁膜GI以外の構成は、実施の形態1(図1)に示す半導体装置と同様である。
(Application example 2)
FIG. 53 is a cross sectional view showing a configuration of a semiconductor device of application example 2 of the present embodiment. In the semiconductor device of this application example, the configuration other than the gate insulating film GI is the same as that of the semiconductor device shown in the first embodiment (FIG. 1).
即ち、実施の形態1(図1)の半導体装置においては、ゲート絶縁膜GIを、下側から、下側から、結晶性のAl2O3膜(GIa)、SiO2膜(GIb)、結晶性のAl2O3膜(GIc)、SiO2膜(GId)で構成したが、種々の金属(元素)の酸化膜を用いてゲート絶縁膜GIを構成してもよい。 That is, in the semiconductor device of the first embodiment (FIG. 1), the crystalline Al 2 O 3 film (GIa), the SiO 2 film (GIb), the crystal is formed from the lower side from the lower side from the gate insulating film GI. The gate insulating film GI may be formed by using an oxide film of various metals (elements) although it is composed of a crystalline Al 2 O 3 film (GIc) and a SiO 2 film (GId).
具体的には、ゲート絶縁膜GIとして、下側から、結晶性の第1金属の酸化膜(M1O、GIa)、第2金属の酸化膜(M2O、GIb)、結晶性の第1金属の酸化膜(M1O、GIc)、第2金属の酸化膜(M2O、GId)の4層膜を用いる。第1金属(M1)は、第2金属(M2)より電気陰性度が低い。なお、M1とOの組成比、M2とOの組成比は、選択される元素によって変化することは言うまでもない。 Specifically, as the gate insulating film GI, from the lower side, the oxide film (M1O, GIa) of the crystalline first metal, the oxide film (M2O, GIb) of the second metal, the oxidation of the crystalline first metal A four-layer film of a film (M1O, GIc) and an oxide film of a second metal (M2O, GId) is used. The first metal (M1) has lower electronegativity than the second metal (M2). Needless to say, the composition ratio of M1 to O and the composition ratio of M2 to O change depending on the selected element.
そして、ゲート絶縁膜GIを以下の工程により形成する。メサ部上に、結晶性の第1膜であって、第1金属の酸化物よりなる第1膜を形成し、この結晶性の第1膜上に、第2金属の酸化物よりなる第2膜を形成する。次いで、第2膜上に、アモルファス状の第3膜であって、第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成すし、このアモルファス状の第3膜に熱処理を施し、結晶化することにより、結晶性の第3膜であって、第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成する。さらに、結晶性の第3膜上に、第2金属の酸化物よりなる第4膜を形成する。 Then, the gate insulating film GI is formed by the following steps. A crystalline first film is formed on the mesa portion, and a first film made of an oxide of a first metal is formed, and a second film made of an oxide of a second metal is formed on the crystalline first film. Form a film. Then, a third film which is an amorphous third film made of an oxide of the first metal is formed on the second film, and the amorphous third film is subjected to a heat treatment to be crystallized. A crystalline third film which is formed of an oxide of a first metal; Further, a fourth film made of an oxide of a second metal is formed on the crystalline third film.
実施の形態1、2の場合、第1金属は、Alであり、第2金属(元素)は、Siである。また、第1膜(GIa)と第3膜(GIc)は、酸化アルミニウム膜(Al2O3)であり、第2膜(GIb)と第4膜(GId)は、酸化シリコン膜(SiO2)である。 In the first and second embodiments, the first metal is Al, and the second metal (element) is Si. The first film (GIa) and the third film (GIc) are aluminum oxide films (Al 2 O 3 ), and the second film (GIb) and the fourth film (GId) are silicon oxide films (SiO 2) ).
このような、積層関係においても、実施の形態1で説明したように、「結晶性の第1金属の酸化膜(c−M1O)上に、第2金属の酸化膜(M2O)を成膜するとダイポールが発生」し、「第2金属の酸化膜(M2O)上にアモルファス状の第1金属の酸化膜(a−M1O)を成膜し、結晶化した場合にはダイポールは発生しない」という事象を利用し、ゲート絶縁膜において、結晶性の第1金属の酸化膜(M1O、GIa)と第2金属の酸化膜(M2O、GIb)との2層膜を、繰り返し積層することにより、閾値電圧を累積的に向上させることができる(図2参照)。 Also in such a stacking relationship, as described in the first embodiment, “the second metal oxide film (M 2 O) is formed on the crystalline first metal oxide film (c—M 1 O) A dipole is generated, and an event that "amorphous first metal oxide film (a-M1O) is formed on the second metal oxide film (M2O) and crystallized, no dipole is generated" In the gate insulating film, the threshold voltage is obtained by repeatedly stacking a two-layer film of crystalline first metal oxide film (M1O, GIa) and second metal oxide film (M2O, GIb). Can be cumulatively improved (see FIG. 2).
なお、上記第1金属M1および第2金属は、以下の表1(ポーリングの電気陰性度)に示す、第2族、第3族、第4族、第5族および第13族から選択される。第1金属M1および第2金属としては、特に、その酸化物がデバイス動作範囲温度(例えば<200℃)において固体で存在し、かつ、薄膜で良好な絶縁性を有することが好ましい。これらの金属のうち、電気陰性度の関係から下層の酸化膜および上層の酸化膜の組み合わせを選択すればよい。
The first metal M1 and the second metal are selected from
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, although the invention made by the present inventor was concretely explained based on an embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and can be variously changed in the range which does not deviate from the gist. Needless to say.
例えば、上記応用例2のゲート絶縁膜を2層膜とし、上記応用例1で説明した半導体装置に適用してもよい。 For example, the gate insulating film of the application example 2 may be a two-layer film and applied to the semiconductor device described in the application example 1.
[付記1]
第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成された第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に形成された第3窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層を貫通し、前記第2窒化物半導体層まで到達する溝と、
前記溝内にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく
前記ゲート絶縁膜は、結晶性の第1膜であって、第1金属の酸化物よりなる第1膜、第2金属の酸化物よりなる第2膜、結晶性の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜および前記第2金属の酸化物よりなる第4膜が下から順に積層された積層体を有する、半導体装置。
[Supplementary Note 1]
A first nitride semiconductor layer,
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer;
A groove penetrating through the third nitride semiconductor layer and reaching the second nitride semiconductor layer;
A gate electrode disposed in the groove via a gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer. The gate insulating film is a crystalline first film, and is made of an oxide of a first metal. A second film made of an oxide of a second metal, and a crystalline third film, the third film made of an oxide of the first metal and a fourth film made of an oxide of the second metal The semiconductor device which has a laminated body laminated | stacked in order from the bottom.
[付記2]
付記1記載の半導体装置において、
前記第1金属は、前記第2金属より電気陰性度が低い、半導体装置。
[Supplementary Note 2]
In the semiconductor device according to
The semiconductor device, wherein the first metal has lower electronegativity than the second metal.
[付記3]
付記1記載の半導体装置において、
前記第1膜および前記第3膜は、酸化アルミニウム膜であり、
前記第2膜および前記第4膜は、酸化シリコン膜である、半導体装置。
[Supplementary Note 3]
In the semiconductor device according to
The first film and the third film are aluminum oxide films,
The semiconductor device, wherein the second film and the fourth film are silicon oxide films.
[付記4]
(a)第1窒化物半導体層上に、第2窒化物半導体層を形成する工程、
(b)前記第2窒化物半導体層上に、第3窒化物半導体層を形成する工程、
(c)前記第3窒化物半導体層上に、第4窒化物半導体層よりなるメサ部を形成する工程、
(d)前記メサ部の上方にゲート絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記第4窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より大きく、
前記(d)工程は、
(d1)前記メサ部上に、結晶性の酸化アルミニウム膜を形成する工程、
(d2)前記酸化アルミニウム膜上に、酸化シリコン膜を形成する工程、
を有し、
前記酸化アルミニウム膜は、2nm以上20nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上20nm以下の膜厚である、半導体装置の製造方法。
[Supplementary Note 4]
(A) forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
(B) forming a third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer;
(C) forming a mesa portion of the fourth nitride semiconductor layer on the third nitride semiconductor layer;
(D) forming a gate insulating film above the mesa portion;
(E) forming a gate electrode on the gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the fourth nitride semiconductor layer is greater than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
In the step (d),
(D1) forming a crystalline aluminum oxide film on the mesa portion;
(D2) forming a silicon oxide film on the aluminum oxide film;
Have
The aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 20 nm or less,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less.
[付記5]
付記4記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d1)工程は、アモルファス状の前記酸化アルミニウム膜に熱処理を施し、結晶化することにより、前記結晶性の前記酸化アルミニウム膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。
[Supplementary Note 5]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step (d1) is a step of forming the crystalline aluminum oxide film by performing a heat treatment on the amorphous aluminum oxide film to crystallize it.
[付記6]
(a)第1窒化物半導体層上に、第2窒化物半導体層を形成する工程、
(b)前記第2窒化物半導体層上に、第3窒化物半導体層を形成する工程、
(c)前記第3窒化物半導体層および前記第2窒化物半導体層をエッチングすることにより、前記第3窒化物半導体層を貫通し、前記第2窒化物半導体層まで到達する溝を形成する工程、
(d)前記溝の底面および側壁上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記(d)工程は、
(d1)前記溝の底面および側壁上に、結晶性の酸化アルミニウム膜を形成する工程、
(d2)前記酸化アルミニウム膜上に、酸化シリコン膜を形成する工程、
を有し、
前記酸化アルミニウム膜は、2nm以上20nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上20nm以下の膜厚である、
半導体装置の製造方法。
[Supplementary Note 6]
(A) forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
(B) forming a third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer;
(C) forming a groove which penetrates the third nitride semiconductor layer and reaches the second nitride semiconductor layer by etching the third nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer ,
(D) forming a gate insulating film on the bottom and side walls of the groove;
(E) forming a gate electrode on the gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
In the step (d),
(D1) forming a crystalline aluminum oxide film on the bottom and side walls of the groove;
(D2) forming a silicon oxide film on the aluminum oxide film;
Have
The aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 20 nm or less,
The silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less.
Semiconductor device manufacturing method.
[付記7]
付記6記載の半導体装置の製造方法において、
前記(d1)工程は、アモルファス状の前記酸化アルミニウム膜に熱処理を施し、結晶化することにより、前記結晶性の前記酸化アルミニウム膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。
[Supplementary Note 7]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 6,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step (d1) is a step of forming the crystalline aluminum oxide film by performing a heat treatment on the amorphous aluminum oxide film to crystallize it.
[付記8]
第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成された第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に形成された第3窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層上に形成された前記第4窒化物半導体層よりなるメサ部と、
前記メサ部上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記第4窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より大きく、
前記ゲート絶縁膜は、結晶性の酸化アルミニウム膜、酸化シリコン膜が下から順に積層された積層体を有し、
前記酸化アルミニウム膜は、2nm以上20nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上10nm以下の膜厚である、半導体装置。
[Supplementary Note 8]
A first nitride semiconductor layer,
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer;
A mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer formed on the third nitride semiconductor layer;
A gate electrode disposed on the mesa portion via a gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the fourth nitride semiconductor layer is greater than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The gate insulating film has a stacked body in which a crystalline aluminum oxide film and a silicon oxide film are sequentially stacked from the bottom,
The aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 20 nm or less,
The semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less.
[付記9]
第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成された第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に形成された第3窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層を貫通し、前記第2窒化物半導体層まで到達する溝と、
前記溝内にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記ゲート絶縁膜は、結晶性の酸化アルミニウム膜、酸化シリコン膜が下から順に積層された積層体を有し、
前記酸化アルミニウム膜は、2nm以上20nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上10nm以下の膜厚である、半導体装置。
[Supplementary Note 9]
A first nitride semiconductor layer,
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer;
A groove penetrating through the third nitride semiconductor layer and reaching the second nitride semiconductor layer;
A gate electrode disposed in the groove via a gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The gate insulating film has a stacked body in which a crystalline aluminum oxide film and a silicon oxide film are sequentially stacked from the bottom,
The aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 20 nm or less,
The semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less.
2DEG 2次元電子ガス
10 導電性膜
20 導電性膜
AC 活性領域
C1 コンタクトホール
DE ドレイン電極
DP ドレインパッド
FP フィールドプレート絶縁膜
GE ゲート電極
GI ゲート絶縁膜
GIa 第1ゲート絶縁膜
GIb 第2ゲート絶縁膜
GIc 第3ゲート絶縁膜
GId 第4ゲート絶縁膜
GL ゲート線
GP ゲートパッド
IL1 層間絶縁膜
IL2 絶縁膜(保護膜)
IL2a 下層膜
IL2b 上層膜
ISO 素子分離領域
MK マスク膜
PR1 フォトレジスト膜
PR2 フォトレジスト膜
PR21 フォトレジスト膜
PR22 フォトレジスト膜
PR23 フォトレジスト膜
PR3 フォトレジスト膜
PR4 フォトレジスト膜
S1 第1窒化物半導体層(バッファ層)
S2 第2窒化物半導体層(チャネル層)
S3 第3窒化物半導体層(障壁層)
S4 第4窒化物半導体層(2DEG解消層、メサ部)
SE ソース電極
SP ソースパッド
SUB 基板
T 溝
2DEG
IL2a lower layer film IL2b upper layer film ISO element isolation region MK mask film PR1 photoresist film PR2 photoresist film PR21 photoresist film PR22 photoresist film PR23 photoresist film PR3 photoresist film PR4 photoresist film S1 first nitride semiconductor layer (buffer layer)
S2 Second nitride semiconductor layer (channel layer)
S3 Third nitride semiconductor layer (barrier layer)
S4 Fourth nitride semiconductor layer (2DEG elimination layer, mesa)
SE Source electrode SP Source pad SUB Substrate T Groove
Claims (20)
(b)前記第2窒化物半導体層上に、第3窒化物半導体層を形成する工程、
(c)前記第3窒化物半導体層上に、第4窒化物半導体層よりなるメサ部を形成する工程、
(d)前記メサ部の上方にゲート絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記第4窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より大きく、
前記(d)工程は、
(d1)前記メサ部上に、結晶性の第1膜であって、第1金属の酸化物よりなる第1膜を形成する工程、
(d2)前記結晶性の第1膜上に、第2金属の酸化物よりなる第2膜を形成する工程、
(d3)前記第2膜上に、アモルファス状の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成する工程、を有する、半導体装置の製造方法。 (A) forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
(B) forming a third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer;
(C) forming a mesa portion of the fourth nitride semiconductor layer on the third nitride semiconductor layer;
(D) forming a gate insulating film above the mesa portion;
(E) forming a gate electrode on the gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the fourth nitride semiconductor layer is greater than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
In the step (d),
(D1) forming a first film which is a crystalline first film and is made of an oxide of a first metal on the mesa portion;
(D2) forming a second film comprising an oxide of a second metal on the crystalline first film;
(D3) A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a third film made of an oxide of the first metal, which is an amorphous third film, on the second film.
前記(d)工程は、前記(d3)工程の後、
(d4)アモルファス状の第3膜に熱処理を施し、結晶化することにより、結晶性の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成する工程、
(d5)前記結晶性の第3膜上に、前記第2金属の酸化物よりなる第4膜を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the step (d), after the step (d3),
(D4) a step of forming a third film which is a crystalline third film by subjecting the amorphous third film to a heat treatment to be crystallized, the third film being made of an oxide of the first metal;
(D5) forming a fourth film of an oxide of the second metal on the crystalline third film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記(d1)工程は、アモルファス状の前記第1膜に熱処理を施し、結晶化することにより、前記結晶性の第1膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第1膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
In the step (d1), the amorphous first film is subjected to heat treatment to be crystallized, thereby forming the first crystalline film and the first film made of an oxide of the first metal. A method of manufacturing a semiconductor device, which is a process of
前記第1金属は、前記第2金属より電気陰性度が低い、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first metal has lower electronegativity than the second metal.
前記第1膜と前記第3膜は、酸化アルミニウム膜であり、
前記第2膜と前記第4膜は、酸化シリコン膜である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3,
The first film and the third film are aluminum oxide films,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second film and the fourth film are silicon oxide films.
前記(d4)工程の熱処理は、800℃以上の雰囲気下で行われる、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The heat treatment of the step (d4) is performed in an atmosphere of 800 ° C. or higher.
前記(d4)および前記(d5)工程は、800℃以上の雰囲気下において、前記酸化シリコン膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the steps (d4) and (d5) are steps of forming the silicon oxide film in an atmosphere of 800 ° C. or more.
前記酸化アルミニウム膜は、2nm以上20nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上20nm以下の膜厚である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 20 nm or less,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less.
前記酸化アルミニウム膜は、5nm以上10nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上10nm以下の膜厚である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8,
The aluminum oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less.
(b)前記第2窒化物半導体層上に、第3窒化物半導体層を形成する工程、
(c)前記第3窒化物半導体層および前記第2窒化物半導体層をエッチングすることにより、前記第3窒化物半導体層を貫通し、前記第2窒化物半導体層まで到達する溝を形成する工程、
(d)前記溝の底面および側壁上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(e)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記(d)工程は、
(d1)前記溝の底面および側壁上に、結晶性の第1膜であって、第1金属の酸化物よりなる第1膜を形成する工程、
(d2)前記結晶性の第1膜上に、第2金属の酸化物よりなる第2膜を形成する工程、
(d3)前記第2膜上に、アモルファス状の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成する工程、を有する、半導体装置の製造方法。 (A) forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
(B) forming a third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer;
(C) forming a groove which penetrates the third nitride semiconductor layer and reaches the second nitride semiconductor layer by etching the third nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer ,
(D) forming a gate insulating film on the bottom and side walls of the groove;
(E) forming a gate electrode on the gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
In the step (d),
(D1) forming a first film of crystalline first film comprising a first metal oxide on bottom and side walls of the groove;
(D2) forming a second film comprising an oxide of a second metal on the crystalline first film;
(D3) A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a third film made of an oxide of the first metal, which is an amorphous third film, on the second film.
前記(d)工程は、前記(d3)工程の後、
(d4)前記アモルファス状の第3膜に熱処理を施し、結晶化することにより、結晶性の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜を形成する工程、
(d5)前記結晶性の第3膜上に、前記第2金属の酸化物よりなる第4膜を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10,
In the step (d), after the step (d3),
(D4) a step of forming a third film made of an oxide of the first metal, which is a crystalline third film by applying heat treatment to the amorphous third film to crystallize it;
(D5) forming a fourth film of an oxide of the second metal on the crystalline third film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記(d1)工程は、アモルファス状の前記第1膜に熱処理を施し、結晶化することにより、前記結晶性の第1膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step (d1) is a step of forming the crystalline first film by performing heat treatment on the amorphous first film to crystallize it.
前記第1金属は、前記第2金属より電気陰性度が低い、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first metal has lower electronegativity than the second metal.
前記第1膜および前記第3膜は、酸化アルミニウム膜であり、
前記第2膜および前記第4膜は、酸化シリコン膜である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
The first film and the third film are aluminum oxide films,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second film and the fourth film are silicon oxide films.
前記(d4)工程は、800℃以上の雰囲気下で行われる、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step (d4) is performed under an atmosphere of 800 ° C. or higher.
前記(d4)および前記(d5)工程は、800℃以上の雰囲気下において、前記酸化シリコン膜を形成する工程である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the steps (d4) and (d5) are steps of forming the silicon oxide film in an atmosphere of 800 ° C. or more.
前記酸化アルミニウム膜は、5nm以上10nm以下の膜厚であり、
前記酸化シリコン膜は、5nm以上10nm以下の膜厚である、半導体装置の製造方法。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16,
The aluminum oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon oxide film has a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less.
前記第1窒化物半導体層上に形成された第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に形成された第3窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層上に形成された前記第4窒化物半導体層よりなるメサ部と、
前記メサ部上にゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
を有し、
前記第2窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力以上であり、
前記第3窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より小さく、
前記第4窒化物半導体層の電子親和力は、前記第1窒化物半導体層の電子親和力より大きく、
前記ゲート絶縁膜は、結晶性の第1膜であって、第1金属の酸化物よりなる第1膜、第2金属の酸化物よりなる第2膜、結晶性の第3膜であって、前記第1金属の酸化物よりなる第3膜および前記第2金属の酸化物よりなる第4膜が下から順に積層された積層体を有する、半導体装置。 A first nitride semiconductor layer,
A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer;
A mesa portion formed of the fourth nitride semiconductor layer formed on the third nitride semiconductor layer;
A gate electrode disposed on the mesa portion via a gate insulating film;
Have
The electron affinity of the second nitride semiconductor layer is equal to or higher than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the third nitride semiconductor layer is smaller than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The electron affinity of the fourth nitride semiconductor layer is greater than the electron affinity of the first nitride semiconductor layer,
The gate insulating film is a crystalline first film, and is a first film made of an oxide of a first metal, a second film made of an oxide of a second metal, and a crystalline third film. A semiconductor device, comprising: a stacked body in which a third film made of an oxide of the first metal and a fourth film made of an oxide of the second metal are sequentially stacked from the bottom.
前記第1金属は、前記第2金属より電気陰性度が低い、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 18,
The semiconductor device, wherein the first metal has lower electronegativity than the second metal.
前記第1膜および前記第3膜は、酸化アルミニウム膜であり、
前記第2膜および前記第4膜は、酸化シリコン膜である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 18,
The first film and the third film are aluminum oxide films,
The semiconductor device, wherein the second film and the fourth film are silicon oxide films.
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